Une turbine, comment ca marche ?

[jiji66]

C'est vraiment une très belle mécanique une turbine. Il y a des engrenages, de l'hydraulique, des aubes mobiles, des injecteurs un peu partout, une douzaine de portes VBV, des sondes dans tous les coins et une belle électronique de régulation pour que ça fonctionne avec la précision d'une horloge suisse (pas encore comme une horloge atomique ).

Les turbines sont généralement présentées comme des machines peu complexes dans le principe. La réalisation pratique est par contre beaucoup plus compliquée puisqu'il faut rajouter des tas de choses dessus et autour pour qu'elles fonctionnent sans accrocs et avec une fiabilité largement démontrée.

Il est aussi très largement admis dans la communauté des pilotes de l'aviation légère, que les moteurs à pistons doivent être le plus simple possible et sans électronique pour bien fonctionner et avec une grande fiabilité alors que la logique inverse est utilisée avec succès sur les turbine.

C'est un paradoxe que j'ai du mal à comprendre.

[Leon Robin]

............... Il est aussi très largement admis dans la communauté des pilotes de l'aviation légère, que les moteurs à pistons doivent être le plus simple possible et sans électronique pour bien fonctionner et avec une grande fiabilité alors que la logique inverse est utilisée avec succès sur les turbine.

C'est un paradoxe que j'ai du mal à comprendre.

C'est peut être la conséquence d'une différence radicale de principe : le moteur à pistons est une machine alternative, la turbine une machine rotative. La différence réside dans l'équilibrage parfait de la seconde, qui exclut toute vibration, génératrice de contraintes. Certes, la turbine est soumise à d'énormes contraintes, mais continues, et non alternées comme dans un moteur à pistons.

Les vibrations sont un phénomène destructeur, pour le moteur lui-même comme pour ses accessoires, notamment électroniques (les contacts det connexions détestent ça).

C'est peut-être un élement d'explications du paradoxe que tu relèves.

[Frédéric Caillé]

Il est aussi très largement admis dans la communauté des pilotes de l'aviation légère, que les moteurs à pistons doivent être le plus simple possible et sans électronique pour bien fonctionner et avec une grande fiabilité alors que la logique inverse est utilisée avec succès sur les turbine.

C'est un paradoxe que j'ai du mal à comprendre.

C'est assez vrai sur les moteurs modernes, mais il vole encore de nombreux moteurs totalement dépourvus d'électronique. Le boitier de démarrage des moteurs d'Alouette est électromécanique, et ce sont des bilames qui font se succéder les diverses opérations ! une fois le moteur autonome la seule électronique qui gère une Artouste, ce sont les neurones du pilote ! Bon, d'accord, ça pompe un peu de temps en temps...

MYR, tu pourrais expliquer les turbines liées avec la même efficacité que tu l'as pour les principes généraux ?

[MYR]

Pour jiji66 (et pour appuyer les propos de Frédéric Caillé): le paradoxe de la pléthore d’électronique sur les moteurs "à turbines" modernes n'en est pas vraiment un ! Ce sont des systèmes qui si ils sont bien conçus ne remplacent pas les éléments mécaniques mais vont simplement améliorer leurs performances. En cas de panne de l'électronique, ça devrait pouvoir continuer à fonctionner mais de façon « moins rentable ».

Sur les turbomoteurs que j’ai connus il n'y a pas d'électronique ou extrêmement peu. On en a rajouté depuis.
C’est uniquement lors du démarrage qu’on a besoin d’une séquence automatisée qui a absolument besoin d’électricité. On peut (ou on pourrait …) se contenter de l’électro mécanique qui est tout de même bien éprouvée. Le boîtier de démarrage de l’Artouste que Frédéric a l’air de connaître est en effet un chef d’œuvre de simplicité et de fiabilité : ce sont toujours les mêmes boîtiers d'origine qui sont utilisés actuellement sur des appareils qui ont parfois presque 50 ans !
Des systèmes de relais solénoïdes font basculer les interrupteurs. Il y a des bilames qui chauffent et refroidissent pour établir ou couper un contact au bout d'un certain temps. En général c'est du costaud : on entend bien les gros "tac", "toc", "clic", "dzzzz". Les problèmes ne viennent pas du boitier de démarrage mais des diverses prises électriques qui se salissent ou prennent du jeu. Il suffit de bien resserrer ou de les dégraisser les contacts avec des solvants (en bombes vaporisateur c'est bien pratique).
La plupart du temps les pannes ne surviennent pas en vol. Tout ce qu'on risque c'est de ne pas pouvoir démarrer au sol.
Même sur les moteurs modernes il y a des astuces terribles :
Le gars détermine quelle carte électronique déconne, il la sort de son logement, et sort l'outil magique : la gomme à papier (bien propre si possible ...). Il frotte partout, et ô miracle ça démarre.
Parfois aussi les éclateurs (c'est à dire des bougies de démarrage d'un certain type) ne veulent plus faire d'étincelle (tout simplement parce que le plus souvent ils sont noyées suite à une mauvaise utilisation (trop de gavage). Alors on démonte, on sèche, on utilise l'autre outil magique : le crayon à papier ! Il faut frotter la mine dessus. Le graphite qui y reste collé est un excellent conducteur qui brûle bien. Ca devient du "charbon incandescent" en plus des étincelles.

Une fois que l'engin a passé le seuil critique de l'allumage, c'est à dire après injection + étincelle, et après extinction de la génératrice qui fait tourner les parties mobiles, le turbomoteur devient autonome.
A partir de « l’autonomie » du moteur : C'est le pilote ou le mécanicien qui pousse la manette de débit jusqu'au régime nominal. A ce stade : la régulation du régime devient automatique, mais pas nécessairement par des moyens électroniques. Comme je le disais et comme disait quelqu'un d'autre : Un dispositif 100% mécanique et hydraulique c’est tout à fait possible, c’est même le mieux, le plus courant et éprouvé.
La régulation du régime se fait par un dispositif constitué de masselottes rotatives disposé sur des leviers qui s'écartent plus ou moins selon la force centrifuge. Selon la vitesse du moteur (selon la vitesse centrifuge) les masselottes rotatives vont faire coulisser plus ou moins un tiroir. Ce tiroir va cacher ou découvrir des lumières qui laisseront passer le liquide hydraulique qui en l'occurrence est le kérosène du circuit carburant. Cela augmentera ou diminuera le débit du carburant de façon que le moteur tourne à la vitesse voulue qui en général reste constante ou à peu près.
Les masselottes en question détectent une variation infinitésimale de vitesse, et hop, ça régule en apportant plus ou moins de carburant. A chaque variation de "charge" (c'est à dire à chaque diminution ou augmentation de l'effort demandé au moteur, c'est à dire à chaque action du pilote sur le levier de pas général) correspond une variation du débit carburant.
Encore une fois : une fois que le moteur est autonome, il ne veut plus s'arrêter. C'est d'ailleurs parfois un problème en cas d'accident sur certains types d'appareil utilisant un type de moteur particulier dit "à turbines libres" : Tant qu'il a du carburant, le machin veut continuer à fonctionner surtout lorsqu'il détecte qu'il n'y a plus de vitesse de rotation au niveau de l'élément qu'il doit entraîner, il croit alors que l'aéronef a besoin de puissance et envoie davantage de kérosène dans le moteur !!! : voir par exemple cette vidéo :
http://www.youtube.com/watch?v=thBMDgdw ... re=related
A la 25e seconde : on entend le moteur qui s'emballe, mais très peu de temps car il est coupé immédiatement par le mécanicien avec la manette coupe feu.

Pour en revenir à la question de Frédéric :
Le moteur à « turbine liée », c’est exactement ce que j’expliquais juste au dessus : C’est le turbomoteur « de base » (comme l’« Artouste » que tu as l’air de connaître) : Turbines et Compresseur(s) sont liés au même arbre.
Son concurrent c'est le moteur "à turbines libres", c'est exactement la même chose que le moteur à turbines liées mais auquel on a rajouté un bout à l’arrière. On a ajouté des étages turbines supplémentaires mais dont le mouvement est indépendant de la partie avant du moteur).
Ce sont donc des moteurs « en deux parties distinctes ». Le principe mécanique est le suivant :
Devant, tu as un turbomoteur normal à turbines liées.
A l’arrière on ajoute des rangées de « turbines libre », c'est-à-dire une autre série de « moulins à vent » qui ne sont plus liés à l’arbre du moteur. Ces turbines libres ne sont libres que par rapport à l’avant du moteur, elles sont reliées bien-sûr à l'élément qui doit être entrainé. Elles captent le "vent" qui est produit par le « turbomoteur avant » ou « générateur » et transmettent à l’aéronef le mouvement de rotation grâce à son propre arbre.
Si on parle d'hélicoptères avec "turbines libres" : Lors du démarrage, la transmission du mouvement vers les rotors se fait très progressivement. Cela permet d’éviter un embrayage mécanique. L’air arrive sur les turbines libres au fur et à mesure qu’il est produit. Un turbomoteur démarre très lentement car il doit atteindre progressivement un régime très élevé de plusieurs dizaines de milliers de tours. Progressivement : parce que du fait des masses en présence (l'inertie du rotor principal), ça ne peut pas accélérer aussi vite qu’un petit moteur qui a moins de contraintes mécaniques. Ce n’est pas non plus comme un moteur à explosion qui arriverait à être accéléré à fond (si on le voulait) dès qu’il est démarré.
Cet embrayage mécanique (centrifuge) des "turbomoteurs liés" et l’embrayage « virtuel » des "turbomoteurs à turbines libres" permettent de faciliter le démarrage moteur : Il vaut mieux que ces moteurs aient peu de travail à effectuer au démarrage car ils ont peu de couple à bas régime.


Ce type de turbomoteur "à turbines libres" présente des avantages et des inconvénients. Les inconvénients sont compensés sur les moteurs modernes par l’électronique :
Avantages des "turbines libres" :
Comme je le disais : il n’y a plus d’embrayage. Donc : gain en poids, en argent, et en fiabilité (donc en sécurité).
Inconvénients :
Le moteur n’est plus aussi réactif qu’un moteur « à turbines liées ». Une fois en vol : la réponse à la demande de puissance est plus lente. Pour palier, on a mis (je crois) un capteur au niveau du pas général des hélicoptères « Super Puma » et « Cougar ». Sur ces systèmes, la demande de puissance est détectée très en amont (puisque c’est sur une commande de vol). J’imagine que l’électronique doit détecter la vitesse plus ou moins prompte de sollicitation de ce pas général. Le système explique très vite au moteur qu’on a besoin de puissance (de façon bien plus rapide que si c’était demandé de façon « mécanique-hydraulique ». En effet, le système « antique » de détection de vitesse avec un arbre prend ses informations de vitesse bien évidemment sur la turbine libre qui elle-même a déjà un temps de retard par rapport au générateur (pour rappel : la partie avant du moteur).
L’autre inconvénient est inhérent à l’existence même de cet arbre détecteur de vitesse (par exemple comme sur les moteurs « Turmo III C4 » du « Puma » de la vidéo) : cet arbre qui est le vrai point sensible de ce moteur peut être soumis à des défaillances mécaniques (il y a tout de même pas mal de renvois d’angles …). Du coup : lorsqu’il casse ou subit une avarie, le régulateur détecte une vitesse faible ou une vitesse égale à zéro. Le régulateur envoie donc davantage de kérosène. Il en résulte une survitesse !
C’est là que la formation des équipages est très importante et aussi le rôle du mécanicien : Il faut qu'il comprenne très vite la cause de ce sur-régime de façon à éviter un réflexe inverse de la part de ses pilotes. En effet, le pilote voyant les tours s’envoler voudra augmenter la valeur du pas général de façon à augmenter la charge du moteur dans le but de calmer les tours. Il faut au contraire baisser le pas général de façon à diminuer l’arrivée de kérosène ! Ce n’est pas naturel du tout pour un pilote, car en apparence ce n’est pas une démarche logique.

Pour résumer la réponse à Frédéric Caillé :
- Moteur à turbines liées : fournissent de la puissance rapidement, mais sujet au pompage.
- Moteurs à turbines libres : plus fiables et sécurisants mais fournissent la puissance plus lentement.
(ces considérations ne sont valables que pour les moteurs d'ancienne génération, non électroniques).

[Salusse]

Il est aussi très largement admis dans la communauté des pilotes de l'aviation légère, que les moteurs à pistons doivent être le plus simple possible et sans électronique pour bien fonctionner et avec une grande fiabilité alors que la logique inverse est utilisée avec succès sur les turbine. C'est un paradoxe que j'ai du mal à comprendre.

Tu ne crois pas que c'est un faux débat ? Un peu d'électronique, avec des programmations soignées et longuement vérifiées, des composants de qualité et des circuits doublés, ça fonctionnerait aussi bien dans nos Robin que dans les Airbus. Electronique ne veut pas dire complexe.

[MYR]

Un peu d'électronique, avec des programmations soignées et longuement vérifiées, des composants de qualité et des circuits doublés, ça fonctionnerait aussi bien dans nos Robin que dans les Airbus. Electronique ne veut pas dire complexe.

C'est aussi mon avis mais avec une nuance : Il faut que l'électronique soit "par dessus" les systèmes mécaniques, hydrauliques, électromécaniques éprouvés qui puissent prendre le relai en cas de défaillance.
L'électronique doit être là pour peaufiner et optimiser, pas pour remplacer, car quand ça merde, ça merde.

[gtvmanu]

Pfiouuuuu quel verbe, j'ai pas eu le tps de tout lire .

Pour bien comprendre, le mieux est de regarder des schémas de fonctionnement, des éclatés, visiter un musée avec des écorchés ou encore compulser un cours turbomachines de quelques centaines de pages .

@+

[Manu]

MYR, tu pourrais expliquer les turbines liées avec la même efficacité que tu l'as pour les principes généraux ?

Une turbine liée a une connection mécanique entre l'arbre moteur et le rotor compresseur / turbine. Dans le cas d'une turbine libre, cette liaison est thermodynamique.

Manu

[Frédéric Caillé]

En fait, je ne comprenais pas comment se faisait "l'appel de puissance" par la ou les turbines liées. Maintenant je comprends (enfin je crois), et aussi pourquoi les pilotes d'hélico à turbine libre disent qu'il y a un temps de réponse et surtout une limite de puissance délivrée qui ne sera jamais franchie par le système qui pilote le générateur (alors qu'avec une turbine liée, il y a toujours "l'épaisseur du trait").

En effet MYR, je connais un peu l'Artouste, de l'époque où je volais sur Alouette II. Machine extraordinaire même si de plus en plus difficile à faire voler, et très démonstrative, en termes de pilotage mais aussi mécaniquement. A l'époque de sa conception, la conduite moteur était empirique : on avait déterminé, par l'expérience, que si on ne dépassait pas une certaine température de sortie et une certaine valeur de pas, on avait de bonnes chances que le moteur tienne le coup. Il manquait (et il manque toujours, on ne l'a jamais adopté sur cette machine) l'indicateur de couple, ce torquemètre qui est devenu un des instruments fondamentaux de conduite des turbomoteurs modernes.

Je vais me faire mal voir de ceux qui ne veulent plus qu'on fasse brûler du pétrole, mais tant pis : quand après huit secondes de démarreur, les torches commencent à cracher du kéro dans la chambre de combustion, le bruit du moteur qui commence à vivre m'a toujours donné la chair de poule. Il y a un autre moment sympa, c'est après le pallier et les contrôles à 28 000 rpm, quand on pousse toutes les manettes vers l'avant et 34 000 rpm. Je sais, c'est pas bien rapide par rapport aux turbines modernes, mais ça siffle déjà pas mal !

Bon, de toutes façons, elle est plus valable, ma QT...

[gtvmanu]

Encore mieux que le torquemètre : le FLI ou IPL qui commence à se généraliser grâce à l'électronique !!

@+

[PatG]

Encore mieux que le torquemètre : le FLI ou IPL qui commence à se généraliser grâce à l'électronique !!

@+

C'est à dire? Qu'est-ce?

[gtvmanu]

En résumé, le FLI (First Limit Indicator) ou IPL (Indicateur de Première Limite) est utilisé sur hélicos, c'est un calculateur qui a partir de données mesurées (couple moteur, régime de rotation, températures etc...) calcule le % de puissance utilisée et le présente au pilote sur le MFD, en page principale (avec la boule de l'horizon etc...), à gauche sur une échelle graduée qui donne aussi la position du pas collectif. C'est très utile pour le pilotage 'aux limites', pour gérer les cas de pannes, particulièrement sur les multi-moteurs car en cas de panne apparaissent aussi sur l'échelle les butées à respecter et les compteurs associés (par exemple P max pdt 30 s).

Voilà en quelques mots, sinon ça ferait 10 pages .

@+

[pilote privé]

En résumé.... Voilà en quelques mots, sinon ça ferait 10 pages

L'APU, de nos jours, c'est un bouton 'ON/OFF' et un autre 'APU Available' en vert.

Le truc se gère tout seul, et on veut surtout pas savoir comment.

[géniedesalpages13]

Voila, c'était ma petite contribution rendue possible par les vagues souvenirs de mon ancien métier de mécanicien et de mécanicien volant. Elle est volontairement simpliste, et je l'espère un peu didactique (un peu tardive par rapport à la date de la question) . Elle est donnée avec plaisir, et en même temps elle a été faite par quasi obligation, car à peine arrivé sur ce forum je me suis fait allumer par des forumeurs qui trouvaient mes questions trop connes et aussi par un des responsables de la modération qui trouvait que je ne servais à rien.
Faut-il toujours servir à quelque chose ? Y a t-il un philosophe dans la salle ?
La plupart du temps je ne continuerai à servir à rien car je ne parlerai que des choses que je connais parfaitement (ce qui est rare). En parallèle et le plus souvent, je poserai des questions sur des choses que je connais pas ou mal, où dont je souhaite des précisions.
Si ça ne plait pas, comme je l'ai déjà dit, il suffira de me censurer, de m'exclure du forum, ou m'inscrire sur la liste des "ignorés" (comme je l'ai déjà fait pour certains), ou tout simplement ne pas lire lorsque mon pseudonyme apparaitra.
Bien le bonjour à la plupart, mais pas à d'autres.

L'a bien raison l'modo, tu sers à rien.

On pourrait d'ailleurs dire cela d'un bon nombre de membres de ce forum : moi-même il me semble que...

Dans cette veine, j'ai envie de proposer un sujet pour le bac philo 2009 : le forum PP sert il à quelque chose ? Question subsidaire, quid de l'utilité de la modération ?

Quelqu'un s'y colle ?

Mais, comme à lire tes interventions (qui ne servent à rien) sur un sujet inconnu de moi, j'ai l'impression de comprendre des choses fort complexes pour moi, continue STP à poster ici.

Tu as un énorme défaut mec, énorme : tu es humble sur ce que tu ne connais pas, et tu es très clair et didactique sur ce que tu connais (ce que tu appelles de vagues souvenirs). C'est très, très, très peu répandu sur le forum ce genre de comportement. On a plutôt l'habitude d'intervenants d'autant plus péremptoires qu'ils n'y connaissent pas grand chose, alors forcément tu t'en prends plein la gueule.

Faut dire aussi que le cosmonaute a laissé quelques traces derrière lui. Mais il était loin de se la jouer 'modeste'

L'avenir nous dira...

[gtvmanu]

Le truc se gère tout seul, et on veut surtout pas savoir comment.

Tu parles pour toi là .

Sinon, l'ipl c'est pour une turbine d'hélico, pas une APU !!

J'espère que tu ne m'en voudra pas d'utiliser une image prélevée sur le net qui donne une idée de l'affichage sur un VEMD de la famille écureuil (sur les machines plus grosses, c'est différent) :



Donc en haut à gauche la jauge carburant (masse restante en dessous), à droite l'IPL en % avec valeur de la T4.
En dessous, température et pression d'huile, tension sur le bus d'alim etc ...

@+