Projet Personnel et Professionnel 1
Turboréacteur LEAP MOLINA MONTOYA, Sofía Génie Mécanique et Productique Première année Groupe A
2016
LE TURBORÉACTEUR LEAP Un turboréacteur est un système de propulsion qui transforme l’énergie potentielle d’un carburant à l’aide de l’air en énergie cinétique à travers de sa combustion, afin de procurer à l’avion la force nécessaire pour son déplacement. La forme la plus basique est un turboréacteur
simple
flux
(Figure 1), quand-même au long des années, on en a développé plusieurs types. L’un d’eux est le turboréacteur de double flux deux corps qui à différence des autres contient Figure 1. Fonctionnement d'un turboréacteur simple flux d’un corps.
une grande soufflante, deux systèmes de compression (BP
basse pression et HP haute pression) et sépare le flux de l’air admis, afin de générer moins de bruit et diminuer la consommation du carburant. Le turboréacteur LEAP est donc une version améliorée de ce dernier, le fonctionnement est pareil mais il comporte des innovations : une quantité plus grande d’air aspirée et une meilleure qualité du matériau. Cela permettra d’obtenir des avantages en termes de l’impact sur l’environnement et du rendement. Le LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) a été conçu par le consortium CFM International, avec la participation des sociétés SNECMA (groupe Safran) et GE (General Electric, USA) et il est entré au marché cette année. Ce produit a été dessiné pour les avions civils monocouloirs de court et moyen-courriers, et il est déjà mis en place sur l’Airbus A320neo (LEAP 1A), le sera aussi sur le Boeing 737 MAX (LEAP 1B) et le COMAC C919 (LEAP 1C) dans les prochaines années.
Figure 2. Turboréacteur LEAP
ANALYSE FONCTIONNELLE 1. Diagramme de Pieuvre
FC1
FC2
FC5 FP1 FC4
FC3
Figure 3. Diagramme de Pieuvre pour le turboréacteur LEAP
FP1 : Permettre le déplacement de l’avion FC1 : Aspirer une grande quantité d’air FC2 : Consommer moins de carburant FC3 : Délivrer suffisamment de poussée FC4 : Produire moins pollution sur l’environnement FC5 : S’intégrer à l’avion 2. Diagramme FAST Fonction FP1 : Permettre le déplacement de l’avion
Générer une différence entre les vitesses d’entrée et sortie de l’air
Comprimer l’air admis
Produire la combustion de l’air
Permettre la détente de l’air chaud
Permettre l’échappement de l’air
Utilisation d’un compresseur Mélanger avec un carburant Expansion de l’air Utilisation d’un conduit
Fonction FC1 :
Aspirer une grande quantité d’air
Utilisation d’un mécanisme de dimensions importantes pour l’écoulement de l’air
Fonction FC2 :
Consommer moins de carburant
Réduire la quantité d’air brûlé
Séparer le flux d’air admis
Fonction FC3 :
Délivrer suffisamment de poussée
Accélérer l’air froid Conduire l’autre partie d’air vers la chambre de combustion
Fonction FC4 :
Réduire les émissions de gaz
Générer moins pollution sur l’environnement
Produire moins de bruit
Brûler moins quantité d’air Diminuer la pression du jet d’air chaud
Fonction FC5 :
S’intégrer à l’avion
Avoir un poids supportable par l’aile
Utiliser un matériau léger
Entourer le moteur avec d’air froid
DESCRIPTION STRUCTURÉ DU PRODUIT
Figure 4. Parties du turboréacteur double flux deux corps
FP1 : Permettre le déplacement de l’avion FP1 a) Comprimer l’air admis Utilisation de : Compresseur haute pression Il est situé dans l’arbre de haute pression, c’est-à-dire, le corps du réacteur qui reçoit le flux primaire, celui qui entrera dans la chambre de combustion. Nombre d’étages : 10 Taux de compression de 22 :1 Compresseur basse pression Situé dans l’arbre de basse pression juste après la soufflante. Rédige l’air froid (flux secondaire) autour du moteur et des accessoires. Nombre d’étages : 3 Fonction : Les compresseurs permettent d’élever la pression ainsi que la température du fluide entre l’entrée et sortie par transformation d’énergie. Il est équipé d'un système foreign-object damage (FOD reduction) qui permet l’évacuation, par effet centrifuge, des débris qui puissent endommager le compresseur haute pression. FP1 b) Produire la combustion de l’air Comburant : Kérosène Processus qui se déroule dans la chambre de combustion. Chambre de combustion Type : pré-mélange/pré-rotation tourbillonnaire
Positionnement : Arbre de haute pression. Température : 2500°C FP1 c) Permettre la détente de l’air chaud Utilisation des turbines, afin de transformer l'énergie de pression des gaz en sortie de la chambre de combustion en énergie cinétique, puis en énergie mécanique afin d'entrainer les accessoires dont le réacteur a besoin. L'énergie restante à la sortie de la turbine participe à la poussée du réacteur. Turbine haute pression Matériau : CMC Ceramic Matrix Composites (composite à matrice céramique) Nombre d’étages : 2 Avantages : •
Résistance aux hautes températures.
•
Matériau léger.
•
Dessin optimisé des aubes.
Cette turbine reçoit l’air sorti de la chambre de combustion, en procurant son expansion. Turbine basse pression Nombre d’étages : 7 Positionnement : Avant la tuyère. Matériau : Aluminure de Titane (Ti-Al) FP1 d) Permettre l’échappement de l’air Utilisation d’une tuyère située dans la partie postérieure du réacteur. Fonction : Accélérer les mases de gaz jusqu’à la sortie totale du fluide. Elle permet l’éjection de l’air. Matériau : CMC (Composites à Matrice Céramique)
Avantage : structure résistante et léger FC1 : Aspirer une grande quantité d’air Solution technique : Soufflante Caractéristiques : •
Nombre d’aubes : 18
•
Positionnement : Situé à l’avant du compresseur de basse pression
•
Diamètre (mm) : 1 981,2 (LEAP 1A)
Avantage : Le grand diamètre de la soufflante permet l’accès d’une masse d’air importante dans le turboréacteur.
FC2 : Consommer moins de carburant L’air admis est divisé en deux flux dont la majeure partie comprimée par le fan contourne le réacteur et est éjectée sans participer à la combustion (flux secondaire) L'autre partie de l'air (seulement le 20 %), également comprimée, continue le cycle normal de combustion, détente et éjection. La quantité de carburant nécessaire à la combustion est assez peu importante. Avantage : -15% en consommation de carburant par rapport aux moteurs actuels. FC3 : Délivrer suffisamment de poussée Le turboréacteur à double flux se caractérise par sa forte poussée au décollage et durant l'ascension. Poussée : entre 24.500 lbf (11.110 kgp) et 32.900 lbf (14.920 kgp) Poussée max. décollage (Kn) : 155.7 80% de la poussée est produit par l’air froid (soufflante) 20% de la poussée est produit par l’air chaud. Taux de dilution : ordre 10 Utilisation de soufflante : accès et accélération (compression) de l’air grâce à la forme de ses aubes. Matériaux : CMC et bordes d’attaque des ailettes en aluminure de titane (Ti-Al)
Figure 5. Soufflante
Figure 6. Aube de soufflante du turboréacteur LEAP
FC4 : Générer moins de pollution sur l’environnement •
Chambre de combustion annulaire TAPS « Twin-Annular Pre-Mixing Swirler » Avantage : Obtention du 50% moins des émissions de NOX par rapport aux normes CAEP/6.
•
Fonctionnement avec deux flux d’air qui comporte la réduction d’air brûlé. Avantage : Moins d’émissions de CO2 (-15% par rapport aux moteurs actuels)
•
Le flux froid contourne le jet d’air chaud, ce qui permet diminuer la pression et qui va provoquer moins de bruit. Avantages : Diminution d’émission sonore de 15dB par rapport au CFM56. Conformité des émissions de bruit avec les futures normes CHAPTER 14(1).
FC5 : S’intégrer à l’avion Matériau : Soufflante (corps et aubes), carter de basse pression et tuyère formées en matériaux composites à base de fibres de carbone tissés en 3D, RTM (Resin Transfer Molding), développé par Safran. Avantages : Matériau léger Coût bas de maintenance
(1) « En matière de bruit, une nouvelle norme de certification acoustique des avions
(dite du « chapitre 14 ») a été adoptée. Elle représentera dès 2017 un gain de 7 décibels par rapport à la norme dite du chapitre 4 actuellement en vigueur. » (DIRÉCTION GÉNÉRALE D’AVIATION CIVILE, 2013)
BIBLIOGRAPHIE Aeronews TV « http://www.aeronewstv.com/fr/lifestyle/comment-ca-marche/1633-commentfonctionne-un-moteur-d-avion.html » 3AF- Association Aéronautique et Astronautique de France « http://www.3af.fr/article/sciences-et-technologies/moteurs-leap » CFM International – LEAP « https://www.cfmaeroengines.com/engines/leap/ » Direction générale d’aviation civile « http://www.developpementdurable.gouv.fr/IMG/pdf/DGAC-RApport-environnement-FR2013_cle8b322b.pdf » Groupe Safran – LEAP 1A « http://www.safran-aircraft-engines.com/fr/moteurs-civils/avionscourt-et-moyen-courriers/leap/leap-1a »
