Turboréacteur à double flux

Un turboréacteur à double flux ou turbosoufflante est un moteur à réaction dérivé du turboréacteur. Il s’en distingue essentiellement par le fait que la poussée est obtenue non seulement par l’éjection de gaz chauds, mais aussi par un flux d’air froid — ce dernier flux peut même fournir davantage de force (mesurée en kilonewtons) que le flux chaud.

L'air entrant à l’avant du moteur se divise en deux parties qui suivent deux parcours distincts avant de se rejoindre à la sortie. Le flux dit primaire, comme dans le cas d’un turboréacteur à simple flux, pénètre au cœur du moteur où il est chauffé avant d’être éjecté, quand le flux secondaire est dérivé en périphérie dans un anneau extérieur, concentrique au cœur.

Les turboréacteurs à double flux présentent divers avantages sur les turboréacteurs à simple flux : ils consomment moins de carburant, ce qui les rend plus économiques dans le cadre d’une exploitation commerciale et moins polluants, et ils génèrent également moins de pollution sonore.

Le taux de dilution est le rapport de la masse du flux secondaire sur le flux primaire.

L’aviation commerciale recherche des moteurs à hauts taux de dilution, pour obtenir un meilleur rendement, maximiser les économies de carburant et diminuer au maximum les inconvénients environnementaux (pollution gazeuse, bruit). À l’inverse, les producteurs d’avions militaires, qui recherchent avant tout des vitesses élevées et de fortes poussées, privilégient les faibles taux de dilution.

Le moteur à double flux le plus puissant en service en est le General Electric GE90-115B — en service notamment sur la deuxième génération de B777 — capable de développer 512 kN de poussée.

Classement

Soufflante solidaire de l'arbre basse pression

Réacteur à faible taux de dilution droite|vignette|Général Electric F110, exemple de réacteur à faible taux de dilution, typique des avions de combat. Son taux de dilution est compris entre 0,2 et 2. Premier type de turboréacteur à double flux à avoir été mis au point, les armées le mettent rapidement largement en usage. Il conquiert également rapidement les faveurs de l’aviation civile avant que celle-ci n’adopte les réacteurs à fort taux de dilution, dans lesquels le flux froid fournit l’essentiel de la force de propulsion.

Plus gourmands en carburant mais permettant d’atteindre des vitesses comprises entre Mach 1 et 2, les turboréacteurs double flux à faible taux de dilution sont principalement utilisés par l’aviation militaire. Cependant quelques aéronefs commerciaux ont longtemps continué eux aussi d’y avoir recours : ainsi du MD-83 propulsé par le Pratt & Whitney JT8D ou le Fokker 100 motorisé par le Rolls-Royce Tay.

Réacteur à fort taux de dilution vignette|left|Général Electric CF6, exemple de turboréacteur à haut taux de dilution utilisé sur les avions de ligne. Les réacteurs dits « à haut taux de dilution » sont ceux possédant un rapport supérieur à 5 pour 1. Ces moteurs représentent une évolution des premiers turboréacteurs et sont utilisés en particulier sur des aéronefs civils. La majeure partie de la poussée, autour de 80 %, provient de la soufflante située dans l'entrée d'air. Elle fait partie du corps basse pression, animé par la turbine BP. Le corps haute pression, ou générateur de gaz, est situé tout autour de l'arbre du corps BP. Il regroupe le compresseur HP, la chambre de combustion annulaire, et la turbine HP. Les gaz issus de la turbine HP entraînent la turbine BP, laquelle entraîne la soufflante. Les deux corps HP et BP tournent à des vitesses différentes. Les gaz, après avoir traversé les étages de turbines HP et BP, sont éjectés par la tuyère du générateur, fournissant les 20 % de poussée restants.

Les moteurs de conception plus récente ont un taux de dilution proche de 10 pour 1 ; c'est le cas des moteurs GEnx qui propulsent le de Boeing ou des Trent 7000 qui équipent les A330neo d’Airbus. C'est aussi le cas de réacteur récent pour des avions court-courriers, tels que le LEAP de CFM. Cependant, un moteur atypique parvient à obtenir un taux proche de 17, le Kouznetsov NK-93.

La combinaison des hautes dilutions et d’une forte compression a fait apparaître des limites. En effet, compresseurs et turbines doivent tourner à des vitesses plus élevées, alors que la soufflante, de par ses dimensions, ne peut continuer de voir sa vitesse augmenter. D'autres conceptions permettent de diminuer la vitesse de la soufflante tout en augmentant ses dimensions.

Soufflante à réducteur

Tant que la soufflante est directement solidaire du compresseur basse pression, l'augmentation du taux de dilution est limitée. En effet, il ne faut pas que les extrémités des pales deviennent transsoniques. On ne peut donc pas augmenter trop le diamètre de la soufflante, sauf à réduire la vitesse de rotation de l'arbre basse pression, ce qui réduirait alors le rendement de la turbine et des compresseurs. Une solution envisageable est alors de placer un réducteur mécanique, de type épicycloïdal, permettant à la soufflante de tourner à un régime inférieur à celui de l'arbre basse pression.

Ce principe, appelé turbosoufflante à engrenage (), est ancien, il a été expérimenté dès 1952 avec le Turbomeca Aspin. Le Garrett TFE731 (environ ) équipe de nombreux avions d'affaires et d'entraînement depuis le début des années 1970.. Le Lycoming ALF 502 (environ ) a volé en 1980 et équipé des avions d'affaires, ainsi que le British Aerospace 146.. En revanche, il s'avéra extrêmement difficile d'appliquer le même principe à des réacteurs de plus grande taille, adaptés aux avions de ligne.. Le projet IAE SuperFan destiné à l'Airbus A340, dans les années 1980, se heurta à des difficultés techniques insurmontables et fut abandonné en 1987..

Soufflante non carénée

vignette|Diagramme de fonctionnement d'un moteur à soufflante non carénée. Un réacteur dit à soufflante non carénée est d’une conception hybride, héritant à la fois du turboréacteur et du turbopropulseur. Il s’agit essentiellement d’un turboréacteur double flux dont la soufflante n’est pas enveloppée d’un carénage aérodynamique. Cette architecture doit permettre d’augmenter encore le taux de dilution, en autorisant d’agrandir encore les aubes de la soufflante sans avoir à élargir démesurément les nacelles, et donc d’améliorer un peu plus l’efficacité énergétique de ces moteurs en permettant, à poussée constante, une moindre consommation de carburant aviation.

Les objectifs actuels (2025) seraient d'atteindre un taux de dilution de 50/1 et donc de réduire de 20 % les consommations.

L’idée d’un tel moteur renaît (ce système ayant été utilisé sur les réacteurs Rateau mis au point durant la dernière guerre mondiale avec le A-65 qui était déjà à double fluxRateau S.R.A.-1, jnpassieux.fr, 1946, consulté le à la faveur du deuxième choc pétrolier () et les premières études ont lieu dans les années 1980 — le GE36, codéveloppé aux États-Unis par General Electric et la NASA est rendu public en . Cette technologie n’emporte cependant pas une adhésion sans réserve des motoristes, en raison du fort bruit émis par le moteur en fonctionnement ainsi que les importantes vibrations qui seraient susceptibles d’entraîner une fatigue des matériaux prématurée et le danger que comporte l'usage d’hélices découvertes.

Au début du , avec les perspectives d’épuisement des ressources pétrolières, ce type de moteur connaît un regain d’intérêt : General Electric en équipe un Cessna Citation à des fins de tests et Safran dévoile le prototype de l’open rotor en . En 2023, ces deux sociétés, regroupées au sein de CFM International, proposent le développement d'un nouveau réacteur, le RISE..

Soufflante arrière Un petit nombre de réacteurs de ce type ont été réalisés vers 1960. Cette conception reprend un moteur à simple flux existant, avec des modifications minimales. Une turbine supplémentaire est ajoutée à l'arrière du réacteur, elle est mécaniquement indépendante, et entraîne directement une soufflante, qui est donc placée derrière le moteur. Le General Electric CF700 est le seul réacteur de ce type à avoir été produit en grand nombre, il a équipé plusieurs modèles d'avions d'affaires.

Sans soufflante

Parmi les premiers réacteurs à double flux, à très faible taux de dilution, certains ne possédaient pas de soufflante : la séparation entre flux chaud et flux froid se faisait après les compresseurs basse pression. C'est le cas de moteurs comme le Rolls-Royce Spey, le Rolls-Royce RB.80 Conway, et le Soloviev D-20 soviétique.

Composantes

Entrée d'air : elle forme un canal d'admission légèrement divergent. Soufflante : située en tête du moteur, c'est un compresseur de taille plus grande que les autres, qui permet de diviser l'air entrant en deux flux. Le flux primaire passe à travers les compresseurs de basse et haute pressions. Compresseurs : de conception similaire à l'aubage frontal mais plus petits, leur fonction est d'augmenter la pression de l'air avant qu'il entre dans la chambre de combustion. On utilise d'habitude des compresseurs de basse et haute pressions qui tournent autour d'axes concentriques, ce qui permet d'optimiser les vitesses de rotation par étapes, BP puis HP, pour accroître le rendement. Chambre de combustion : de forme annulaire, c'est le lieu où le combustible se mêle avec l'air pressurisé et est brûlé. Le produit de cette combustion est des gaz d'échappement chauds qui entraînent les turbines. Turbines : l'air chaud qui sort de la chambre de combustion passe à travers les aubes de plusieurs étages de turbine, assurant la rotation des arbres des compresseurs et de la soufflante. Dans les moteurs à bas taux de dilution, à un seul corps, le compresseur basse pression et la soufflante forment un même ensemble de rotation, alors qu'aux taux supérieurs on dispose d'un engrenage optimisant les vitesses de rotation de chaque composante : soufflante, compresseurs basse pression et compresseurs haute pression. Tuyère : l'éjection des gaz produit une poussée sur le principe d'action, réaction. Selon le type d'avion, le canal sera divergent ou convergent. Conduit du flux froid : il entoure le moteur. Il abrite les inverseurs de poussée.

Systèmes Système antigel Lorsqu'un avion vole dans une atmosphère humide et à une température proche au point de congélation de l'eau, cette humidité se dépose sur les surfaces de l'avion sous forme de glace. Ceci perturbe le flux d'air en raison de la génération de tourbillons, déséquilibre l'aéronef, produit des vibrations et facilite le décrochage.

Les turbofans sont équipés d'un système qui élimine la glace accumulée (fonte) et empêche sa formation (antigel). Les deux fonctions se réalisent moyennant le prélèvement d'air chaud du compresseur, au détriment d'autres parties du moteur ou du reste de l'avion (pour le renouvellement de l'air intérieur et la pressurisation de la cabine). Les composants situés derrière les aubes vont naturellement chauffer pendant le fonctionnement normal du moteur, de sorte que la glace s'accumule seulement à des vitesses de rotation basses et il n'y a pas lieu de décongeler. C'est pour cela que l'air froid part de l'entrée d'air et les autres points susceptibles de souffrir de congélation s'arrêtent à la soufflante..

Incident du TACA 110