Comment fonctionne un turboréacteur double flux ?

Sous l'aile d'un avion de ligne, la grande « bouche » ronde que l'on aperçoit est la soufflante d'un turboréacteur double flux, ou turbofan. Selon le centre de recherche Glenn de la NASA, c'est le type de turbine à gaz le plus moderne et celui qui équipe la plupart des avions de ligne, car il combine une forte poussée et une consommation de carburant maîtrisée. Son principe tient en quatre verbes : aspirer, comprimer, brûler, détendre.

Le principe : la réaction

Un moteur d'avion produit une poussée en accélérant de l'air vers l'arrière. Par réaction, l'avion est poussé vers l'avant, comme un ballon de baudruche qui se vide. Pour obtenir une poussée donnée, on peut soit accélérer un petit volume d'air très fort, soit accélérer un grand volume d'air un peu moins fort. La seconde solution est bien plus économe en énergie : c'est toute la logique du double flux.

Le cœur du moteur : un cycle en quatre temps

Au centre du turbofan se trouve le générateur de gaz, ou cœur. Il fonctionne selon le cycle thermodynamique de Brayton, décrit par la NASA en trois grandes étapes, auxquelles s'ajoute l'admission :

• l'admission : l'air entre par l'avant du moteur ;
• la compression : une succession d'étages de compresseur, faits de roues à aubes, élève fortement la pression et la température de l'air ;
• la combustion : dans la chambre de combustion, le carburant est injecté et brûle de façon continue, à pression quasi constante ; la température des gaz grimpe ;
• la détente : les gaz chauds traversent la turbine, qu'ils font tourner, puis s'échappent par la tuyère.

La turbine joue un rôle clé : l'énergie qu'elle récupère sert à entraîner le compresseur placé à l'avant, par l'intermédiaire d'un arbre. Le moteur s'auto-entretient ainsi tant qu'on lui fournit du carburant.

La soufflante et le flux secondaire

Ce qui distingue le turbofan d'un simple turboréacteur, c'est la grande soufflante placée à l'avant. Elle est entraînée par une turbine supplémentaire, située à l'arrière, montée sur un arbre distinct de celui du cœur : c'est l'architecture double corps, avec un corps basse pression (soufflante et turbine basse pression) et un corps haute pression (compresseur et turbine haute pression).

L'air aspiré par la soufflante se partage en deux :

• le flux primaire, qui traverse le cœur du moteur et participe à la combustion ;
• le flux secondaire, beaucoup plus important, qui contourne le cœur dans un canal annulaire et ressort à l'arrière, simplement accéléré par la soufflante.

Le rapport entre ces deux débits s'appelle le taux de dilution. Sur les moteurs civils modernes, il est élevé : la majeure partie de la poussée provient alors du flux secondaire, à la manière d'une hélice carénée.

Pourquoi ce moteur est efficace

La NASA résume l'intérêt du système : ajouter une soufflante ne modifie que légèrement la consommation de carburant du cœur, mais augmente nettement la poussée. On obtient donc plus de poussée pour presque autant de carburant. Les turbofans à fort taux de dilution approchent ainsi l'efficacité des turbopropulseurs, tout en restant adaptés aux vitesses élevées des avions de ligne grâce à la soufflante carénée et à ses nombreuses pales.

Le flux secondaire, plus lent et qui enveloppe le jet chaud, contribue aussi à réduire le bruit par rapport aux anciens turboréacteurs simple flux.

Un moteur qui alimente tout l'avion

Le turboréacteur ne sert pas qu'à propulser. Il entraîne aussi, via un boîtier d'accessoires, des générateurs électriques et des pompes hydrauliques. Sur la plupart des avions, de l'air comprimé est prélevé sur les compresseurs pour pressuriser et climatiser la cabine ou dégivrer certaines surfaces. Le moteur est enfin équipé, sur de nombreux appareils, d'inverseurs de poussée qui redirigent le flux vers l'avant pour aider au freinage à l'atterrissage.

À retenir

• Le turbofan accélère une grande masse d'air vers l'arrière pour produire une poussée.
• Son cœur suit le cycle de Brayton : compression, combustion à pression quasi constante, détente dans la turbine.
• La turbine entraîne le compresseur et la soufflante, montés sur deux arbres distincts.
• Le flux secondaire, qui contourne le cœur, fournit l'essentiel de la poussée sur les moteurs modernes et explique leur efficacité.