Avant d'entrer dans le développement des lames, nous devons d'abord regarder d'où et comment tout a commencé.
L'HISTOIRE DES MOTEURS À RÉACTION
Avant d'aborder le développement des aubes de moteurs à réaction, nous devons d'abord voir où et comment tout a commencé.
Pour l'année 2021, les compagnies aériennes prévoyaient 22,2 millions de vols dans le monde. Il s'agit d'une forte baisse par rapport aux 40,3 millions prévus pour 2020, en raison de la pandémie COVID-19. On estime que 2,8 milliards de passagers ont été transportés sur ces vols. Combien de ces passagers se soucient-ils un jour de l'innovation et de la technologie d'une aube de turboréacteur et du fonctionnement d'un moteur à réaction ?
Le moteur à réaction est le moteur des avions à réaction actuels. Il génère non seulement la poussée qui propulse l'avion, mais aussi l'énergie qui alimente de nombreux autres systèmes de l'avion. Les moteurs à réaction fonctionnent selon la troisième loi du mouvement de Newton, qui stipule que toute force exercée sur un corps produit une force égale et opposée. Le moteur à réaction aspire une partie de l'air dans lequel l'avion se déplace, le comprime, le combine avec le carburant, le chauffe et expulse finalement le gaz ainsi créé avec une force telle que l'avion est propulsé vers l'avant et vous emmène vers votre destination de vacances préférée ou votre voyage d'affaires prévu.
REVENONS À L'HISTOIRE DES MOTEURS À RÉACTION, LÀ OÙ TOUT A COMMENCÉ, ET VOYONS COMMENT LES AUBES DE TURBINE SE SONT DÉVELOPPÉES.
On peut remonter jusqu'aux éoliennes égyptiennes, mises au point par Héro d'Alexandre en 150 avant Jésus-Christ. La technologie chinoise des fusées des années 1230, la broche de torréfaction "ramoneur" de Léonard de Vinci, la turbine à impulsion de l'ingénieur italien Giovanni Branca pour une usine de pilonnage. Sans oublier le principe de Bernoulli, qui peut également être directement dérivé de la deuxième loi du mouvement de Newton, et bien que tout cela ait eu des répercussions, ce n'est qu'au cours de la Première Guerre mondiale qu'il a été porté à un niveau supérieur, et au milieu de tous les ravages et perturbations, il a accéléré l'essor de l'aviation et le développement des turbines à réaction, qui est directement lié à l'évolution des aubes de turbine.
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L'ingénieur suisse Alfred Buchi a fait breveter le turbocompresseur en 1910, mais l'appareil a échoué lors d'essais en vol en France. À cette époque, General Electric (GE) se concentrait principalement sur la construction de turbines et d'autres équipements pour les centrales électriques, mais en novembre 1917, le gouvernement américain souhaitait développer sa propre version de turbocompresseur et demanda à l'entreprise de l'aider à mettre au point l'appareil pour l'armée américaine.
La tâche de diriger ce projet secret a été confiée à un ingénieur en turbines à gaz de GE du nom de Sanford Moss.
Moss a construit un turbocompresseur qui utilisait les gaz d'échappement chauds du moteur de l'avion pour faire tourner une turbine radiale qu'il avait conçue et comprimer l'air qui entrait dans le moteur.
La percée a eu lieu en 1930, lorsque le lieutenant de la Royal Air Force, Sir. Frank Whittle, a déposé un brevet pour une turbine à gaz à réaction. Son moteur, doté d'un compresseur centrifuge à un étage couplé à une turbine à un étage, a été testé avec succès au banc d'essai en avril 1937 et a constitué la base du turboréacteur moderne.
Entre-temps, en Allemagne, Hans von Ohain a formulé sa théorie de la propulsion à réaction en 1933, alors qu'il préparait son doctorat à l'université de Göttingen. En 1936, Von Ohain et le Dr Max Hahn ont breveté un moteur à réaction et le 27 août 1939, l'histoire a été écrite avec le premier vol à réaction pur à Rostock.
En 1939, le ministère de l'aviation a passé une commande à Power Jets Ltd (une entreprise dans laquelle Whittle avait une participation) pour le développement d'un moteur d'avion. Le 15 mai 1941, le moteur Whittle W1 a effectué son premier vol sur le Gloster Model E28/39. Cet avion a atteint une vitesse de 595 km/h (370 mph) en vol horizontal avec une poussée de 1 000 livres. Après le succès du moteur Whittle, les Britanniques ont immédiatement envoyé un prototype à leurs alliés aux États-Unis, où General Electric a immédiatement commencé à en produire des copies. Pendant ce temps, un groupe d'ingénieurs de GE, appelés les Hush-Hush Boys, ont développé de nouvelles pièces pour le moteur, l'ont révisé, l'ont testé et ont livré un prototype fonctionnel top secret appelé I-A avec une poussée de 1.300 livres !
Comme de nombreuses innovations technologiques, le turboréacteur a mis du temps à passer du concept à la conception et à la réalisation, mais deux guerres mondiales ont éclipsé la technologie aéronautique. Vers la fin de la Seconde Guerre mondiale, des turboréacteurs modernes ont été introduits, notamment le refroidissement par pales, la prévention de la formation de glace et la tuyère d'échappement à section variable.
En 1930, les prototypes de Sir Frank Whittle étaient entièrement fabriqués en acier. L'acier est excellent pour la résistance et la dureté de surface, mais si l'on a besoin de performances à haute température, il faut chercher ailleurs, car la température maximale de l'acier est de 450-500 °C.
L'un des principaux facteurs limitatifs des premiers turboréacteurs était la performance des matériaux disponibles pour la partie chaude du moteur (chambre de combustion et turbine). La nécessité d'améliorer les matériaux a donné lieu à des recherches approfondies dans le domaine des alliages et des techniques de fabrication, et ces recherches ont abouti à une longue liste de nouveaux matériaux et procédés qui rendent possibles les turbines à gaz modernes.
Outre l'amélioration des matériaux et des alliages, l'une des percées a été le développement de procédés de solidification dirigée (DS) et de production de monocristaux (SC), ainsi que la mise au point de couches d'isolation thermique. La recherche de matériaux à hautes performances, d'une conception innovante et de méthodes de production améliorées dans le développement des aubes sera abordée en détail la semaine prochaine dans le blog Jet Turbine Blades Part 2. L'évolution au fil des ans et l'amélioration continue ne sont pas possibles sans mesures.
La construction et l'assemblage des composants d'un moteur à réaction prennent environ deux ans, après une phase de développement et de test qui peut durer jusqu'à cinq ans pour chaque modèle. Tout au long du processus de construction d'un moteur, les composants et les assemblages sont contrôlés pour s'assurer de leur précision dimensionnelle, de leur fabrication responsable et de l'intégrité des matériaux.
Depuis 1968, WENZEL s'efforce d'offrir de meilleures solutions de mesure à l'industrie manufacturière grâce à ses innovations dans le domaine de la métrologie. Des systèmes de mesure de pointe sont proposés pour les aubes de turbine de différentes tailles. Les courbes complexes des aubes de turbine ont des dimensions critiques qui doivent être mesurées à de nombreux endroits, ce qui est limité par la portée des systèmes tactiles traditionnels. Les mesures typiques portent sur les sections transversales des aubes à plusieurs endroits, ce qui constitue également un défi très particulier. Cela concerne surtout la mesure des rayons du bord d'attaque, du bord de fuite, de la forme de l'emplanture et de la position et de la taille des orifices de refroidissement. (Apprenez-en plus sur les fonctionnalités des turbines et des aubes dans l'article de blog de la semaine prochaine).
Limités par le diamètre de la tige de palpage, les écarts de forme et les défauts des petites caractéristiques ne peuvent pas être détectés. Un palpeur à contact a l'effet d'un filtre mécanique sur la mesure et peut faire apparaître les résultats meilleurs ou moins bons qu'ils ne le sont en réalité.
Des systèmes de mesure optiques peuvent être utilisés comme alternative. Dans de nombreux cas, les surfaces réfléchissantes doivent être préparées et recouvertes d'une poudre spéciale. Ce procédé ajoute de la matière à la pièce et donne des résultats erronés lors de l'évaluation de petites caractéristiques. De plus, toutes les méthodes ne sont pas en mesure de détecter de petits rayons ou même de mesurer des caractéristiques difficiles d'accès.
WENZEL a développé avec CORE un système de mesure optique qui répond à toutes ces exigences. Grâce à ce capteur innovant, il n'est pas nécessaire de préparer les surfaces réfléchissantes et polies. Les points de mesure sont saisis par un petit spot lumineux d'un diamètre de 35 μm. Ce système de mesure permet de mesurer en détail les petits rayons avec un nombre de points élevé et d'analyser les écarts de forme et les défauts.
Le voyage des aubes de turbines à réaction a commencé par la détermination d'aller plus vite, et au cours des deux prochaines semaines, nous allons nous pencher sur les aspects techniques et la conception des aubes de turbines à réaction. Regardez le chemin parcouru au cours des six dernières décennies. Du premier avion à réaction en 1939 avec une poussée de 1100 livres, à la poussée d'un moteur de jetliner typique de 5.000 lbf (22.000 N) (de Havilland Ghost Turbojet) dans les années 1950, jusqu'à 115.000 lbf (510.000 N) (General Electric GE90 Turbofan) dans les années 1990, sans parler d'une fiabilité bien plus grande en termes de déconnexions pour 100.000 heures de vol du moteur.
Combinée à la forte baisse de la consommation de carburant, elle a permis, au tournant du siècle, d'effectuer des vols transatlantiques de routine avec des avions commerciaux bimoteurs (ETOPS), qui auraient auparavant nécessité plusieurs arrêts pour faire le plein.
Aujourd'hui, le développement de la technologie des turbines à gaz se poursuit avec de nouveaux moteurs qui offrent un rendement énergétique encore plus élevé et un niveau de bruit beaucoup plus faible. Deux des plus grands moteurs à turbine à gaz jamais construits ont été mis en service sur l'Airbus A380 - le Rolls-Royce Trent 900 et le GP 7200 d'Engine Alliance (un partenariat entre GE et Pratt & Whitney). Ces moteurs massifs génèrent une poussée de 70 000 livres chacun.
Suivez-nous sur notre plateforme et participez à notre série All About Blades, un voyage à ne pas manquer ! Notre équipe et des experts externes vous en diront plus sur les aubes de turbines à réaction, les géométries et les défis de la production ainsi que l'assurance qualité. Nous sommes impatients de partager avec vous #allaboutblades !
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