Turboprop: What it is and how does it work?

Qu’est ce qu’un turbopropulseur et comment ça marche?

Parler de turbopropulseur est un abus de langage. En effet, le mot vient de l’anglais « turboprop » qui est l’assemblage de turbo (pour la turbine) et propeller (pour l’hélice). Ainsi, nous comprenons que ce moteur est l’assemblage d’une turbine et d’une hélice.
L’idée de l’utilisation des turbopropulseurs remonte en 1939, aux U.S.A. quand J. Northrop débuta l'étude d’une turbine à gaz en remplacement du moteur à explosion pour propulser des avions. Mais en 1944, le turboréacteur fut mis au point avec succès avec le Messerschmitt ME262. La turbine à gaz fut donc oubliée au profit du turboréacteur pour alimenter l'hélice: Le turbopropulseur était né. Le premier turbopropulseur à atteindre le banc d'essai était le Rolls-Royce Trent en mars 1945. Il fut couramment utilisé sur tous type d’avions avant de céder la place au turbopropulseur à simple, puis à double flux. Un peu tombé en désuétude, il est de nouveau fortement sollicité de nos jours pour les avions de transport régionaux, de capacité réduite, ou les hélicoptères afin de répondre aux défis majeurs du rendement économique et des normes environnementales toujours plus serrées.
L’inconvénient de cette motorisation est qu’un appareil ainsi équipé est limité en vitesse par son hélice. La formation des ondes de choc sur les hélices est connu depuis les années 20, en effet, des recherches avaient été déjà faites sur des hélices tournant à grande vitesse. La vitesse de l'air frappant hélice est due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. A mesure que ces deux vitesses augmentent, l'extrémité des pales subies des ondes de choc transsoniques, ainsi à 800 km/h, un tiers de la longueur des pales est touché par ces ondes, diminuant l’efficacité de 50%! Il est couramment admis que cette vitesse est le plafond de vitesse pour un avion à hélice (même si le F-84 H atteindra tout de même 1050 km/h soit pratiquement Mach 1!) Le turbopropulseur est donc employé généralement sur des avions dont la vitesse n'excède pas 500 à 600 km/h, tels que les avions de tourisme ou les appareils de capacité réduite. On utilise aussi le turbopropulseur sur les hélicoptères. Il est intéressant de noter que c'est ce même phénomène qui limite la vitesse des hélicoptères à 400Km/h car l'hélice, en position horizontale, subit plus de contrainte.

Détail du fonctionnement :

Une partie de l’air poussé par l’hélice A pénètre dans le moteur en B. Ce flux est comprimé par le compresseur C.
Le flux arrive ensuite dans la chambre de combustion à flux inversé D, dans laquelle il est mélangé au carburant. Un système d’allumage provoque la combustion du mélange.
L’énergie ainsi crée est utilisée de deux façons :
-Elle entraine les turbines E qui transmettent une forte puissance et un régime de rotation élevé mais un faible couple au réducteur F. Celui-ci transforme cette énergie en forte puissance, régime de rotation modéré mais couple élevé.
-Elle fournie entre 10 et 15% de la poussée du moteur par échappement par la tuyère G.

What is a Turboprop, and how does it work? Turboprop is the assembly of a turbine and a propeller. The idea to use turbine engine to actione a proppler is borne on the U.S.A. in 1939, when J. Northop begin the studie of a gaz turbine to replace the traditional piston engine to propulse the airplane. But in 1944, the turboreacteur was succesfully built with the Messerschmitt ME262. So, the gaz turbine was forget and replaced by the turboréacteur to entrain the proppler: the turbopropulseur was born. The first one was the Rolls-Royce Trent in march 1945. It was largely used in all airplane type before to be replaced by a simple Flux, then to a double flux turbopropulseur. Forget during the 60's, it is strongly asked today for small and regional airplane, or for the hélicoptères in order to responde to the defial of the economical return and to the environmental law stronger every year. The less of thi kind of motor is that speed of the airplane equiped with it is limited by it's proppler. The formation of shock waves on the proppler is knew since the 20's, some research have proved that the air who strike the proppler turning at heavy fast is due to the rotation of the proppler, and also to the airplane speed. due non seulement à la rotation des pales mais également à la vitesse de l’appareil. As these two speeds increase, the extremity of pales undergone by transsoniques shock waves, so, at the speed of 800 km/h, one on three of the pales lenght is touched by these waves, this cause the lost of 50% of the efficacity! It's often admetted that this speed is the maximum speed for a proppler airplane (even if the F-84 H as reach 1050 km/h, nearly the sound wave speed!) The turbopropulseur is so generaly used on airplanes who dont go faster than 500 to 600 km/h, like tourism or small airplane. It's also used on helicopters. It is interessting to constate that it is the same phénomena who limite the helicopters speed to 400Km/h, because the proppler in horisontal position sudden more forces.

Working details:

One parts of the air flow pushed by the proppler A go in the engine by the open B. This air flow is comprimed by the compressor C. The flow arrived in the inversted stream combustion chamber D, in wich one it is mixed with carburant. Then, an ignition device burn this mix. The power delivred is used pf two manners:

-It made turn the turbines E, who transmitted a strong power and a hight regime of rotation but a low torque to the reducer F. This one is changing this energy in high power, low regim rotation, but hight torque.

-It furnish near 10 and 15% of the engine with the exhaust by the nozzle G.