Turbojet engine

Embraer 170.

Le turboréacteur inventé par Charles Louvrié (brevet déposé en 1863) à du attendre Aout 1939 et le Henkel HE 178 avant de voler pour la première fois. Le 18 Aout 1942, Messerschmitt fit voler le ME 262, premier avion de série (plus de 1400 exemplaires produits) à exploiter un turboréacteur. Trop bruyant, trop gourmand, après une courte apogée dans les années 60, ce moteur fut abandonné par l’aviation civile, malgré des capacités intéressantes à très haute vitesse comme l’ont prouvés le Concorde et les applications militaires (Le Lockheed SR71 BlackBird est l'avion à turboréacteurs le plus rapide: il est capable d’atteindre Mach 3,5 soit plus de 4000 km/h!).

Petit schéma de principe pour comprendre ce qu’est un turboréacteur:


Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par le compresseur B. Du carburant est injecté et enflammé en C. L’énergie produite est récupérée par la turbine D. Les gaz sont ensuite expulsés dans la tuyère E. A noter : l’air chaud qui sort de la tuyère ne se mélange pas avec l’air froid de l’extérieur du moteur (des fluides de températures différentes se mélangent toujours difficilement), mais il se crée une zone de forte turbulence à la frontière entre les deux flux. En plus de nuire à la performance de l’avion, ces turbulences produisent énormément de bruit.

Le cas de la post combustion: sur certains moteurs à très haute performances, on injecte du carburant dans la tuyère E. Cela à pour effet d’augmenter encore les performances du moteur, Mais la consommation d’un moteur en mode postcombustion est catastrophique.

Ici, un Fokker 100 à Saint Exupery.

Here, an Fokker 100 in Lyon Saint Exupery.

La solution qui fut trouvée pour rendre ces moteurs moins bruyants et plus économe fut le turboréacteur à double flux, ou turbofan.
Le bruit étant en grande partie provoqué par la détente des gaz en sortie de réacteur, on ajoute une grosse hélice carénée (fan en anglais) devant pour « envelopper » les gaz d’échappement, et augmenter la poussée (et donc le rendement).
Fonctionnement:

Le flux d’air qui arrive dans le moteur en A est aspiré et comprimé par la soufflante B. Une partie de cet air est éjecté directement en C pour produire jusque 80% de la poussée pour un avion civile. Pour le fonctionnement de la turbine D, voir au dessus. En effet, pour simplifier, le turboréacteur à double flux n'est qu'un turboréacteur auquel on aurait ajouté un compresseur supplémentaire de grande taille, la soufflante. A noter tout de même que l’arbre principal est divisé en trois parties, ce qui permet trois vitesses de rotation différentes. Le cône E n’est pas un artifice inutile : il permet de lisser le flux et permet casser et ralentir les lignes de flux supersonique, ce qui évite des turbulences. De plus, le flux chaud est entouré par le flux froids. Deux flux de température différente ne se mélangent toujours pas, mais cela permet de réduire fortement les turbulences, et donc, le bruit produit.
Pour ce genre de moteur, on parle de taux de dilution. C’est le rapport entre le flux froid massique (dit secondaire) qui est généré par la soufflante, et le flux dit chaud massique (dit primaire) qui sort de la turbine. Ce taux est variable selon les moteurs. Elle est d'autant plus élevée que le moteur est destiné à voler à des vitesses faibles. Les moteurs militaires optimisés pour le vol supersonique peuvent avoir un taux de dilution en dessous de 1, alors que les moteurs utilisés pour propulser les avions civils, optimisés pour des croisières autour de 900Km/h ont des taux de dilution allant de 5 à 10.


747's 3rd engine.

Moteur N°3 d'un 747.


The turbojet engine was invented by Charles Louvrié (copy right in 1863). It needs to wait August 1939 with the Henkel HE 178 before to fly for first time. On 1942, August, the 18th Messerschmitt do the first flight of the ME 262, first serial airplane (more than 1400 built) to use a turbojet engine. Too noisy, too gourmand, after a short highlight during the 60’s, this engine was abandoned by civilians airplane, even if it can have interesting capacities on very high speed, like proved by Concorde and military applications (The Lockheed SR71 BlackBird is still the fastest turbojet engine airplane: it can fly at Mach 3,5 or more of 4000 km/h!).
Little scheme to understand how it works:


The air flow come on the engine in A and is sucked up and comprimed by the compressor B. Some fuel is injected and burned in C. The power delivered is got back by the turbine D. Then the gaz are expulsed by the nozzle E. To be noted: the hot flow that goes out the nozzle didn’t mix with the cold flow outside of the engine (different temperatures fluids cannot mix them easy), but a strong turbulence area is created on the frontier of the two flows. It decreases the airplane performance, and also made a lot of noise.

The post combustion case: on certain high performance engine, some fuel is injected on the nozzle E. It increase the performance of the engine, but the consumption in post combustion mode is very heavy.

CRJ100 turbofan.

Turbopropulseur double flux d'un CRJ100.

The solution founded to made these engines less noisy and more economic was the double flow turbojet engine, or turbofan.
The bigest part of the noise is due to the gaz detente on the nozzle exhaust. So, we add a big fan in front of the engine to « wrap » the exhaust gaz, and increase the engine performance.
Work:

The air flow come in to the engine in A, and is sucked and comprimed by the fan B. A large parts is directly ejected by C to product to 80% of the engine push for a civilian airplane. For the turbo jet engine D, see fonctionnement behind. In fact, to simplify, the double flow turbojet engine is only a turbojet engine for who we add a supplementary big compressor, the fan. To be précised: the principal driveshaft is divised in tree parts, it permise to obtain tree different speed. The cone E is not an inutile device : it permit to break and slow down the supersonic flow line, and avoid turbulence, so noise and bad work. Other point: the hot flow is surrounded by the cold flow. Two flow with different temperature still not mix, but it reduce strongly the turbulence, and so, the noise…
For this kind of engine, we speak about dilution rate (I don’t know if the English expression is really this one!). It is the relationship betwen the mass of the cold flow generated by the fan and the mass of the hot flow generated by the turbojet. This rate is variable between the engine. More the airplane is destined to have low speed, more this rate will be hight. The military engine, optimised for supersonic flight can have a dilution rate under 1, wihle the engine use on airliner, optimised to flight 900Km/h as dilution rate near 5 to 10.

Turbojet engine number 3 and 4.

Turbopropulseur double flux N° 3 et 4 d'un 747.