Turbopropulseur — Wikipédia

Ne doit pas être confondu avec Turboréacteur.

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Un turbopropulseur est un système de propulsion dont l'énergie est fournie par une turbine à combustion et dont la poussée principale est obtenue par la rotation d'une hélice multi-pales^[1].

Le terme français « turbopropulseur » est composé de turbo (désignant la turbine à combustion) et du mot propulseur, ce qui décrit bien ce mot de propulsion^[1].

Alan Arnold Griffith publia un article sur la conception des turbines en 1926. Des travaux ultérieurs de la Royal Aircraft Establishment étudièrent des conceptions de turbines axiales pouvant être utilisées pour alimenter un arbre, puis une hélice. À partir de 1929, Frank Whittle a commencé à travailler sur des modèles de turbines centrifuges capables de fournir une poussée pure par jet^[2].

Le premier turbopropulseur au monde a été conçu par l'ingénieur mécanicien hongrois György Jendrassik^[3]. Jendrassik a publié l'idée sur les turbopropulseurs en 1928 et, le 12 mars 1929, il a breveté son invention. En 1938, il construisit une turbine à combustion expérimentale de petite taille (100 HP ; 74,6 kW)^[4]. Le plus grand Jendrassik Cs-1, avec une puissance prévue de 1 000 ch, a été fabriqué et testé aux Compagnies Ganz de Budapest entre 1937 et 1941. Il était conçu de manière à flux axial avec 15 étages de compresseur et 7 étages de turbine, une chambre de combustion annulaire et autres caractéristiques modernes. Initialement lancé en 1940, les problèmes de combustion limitaient sa puissance à 400 ch. En 1941, le moteur a été abandonné en raison de la guerre et l'usine a été confiée à la production de moteurs conventionnels. Le premier moteur à turbopropulseur au monde à être fabriqué en série a été conçu par un ingénieur allemand, Max Adolf Mueller, en 1942^[2].

De nombreux aéronefs utilisent ce mode de propulsion, plus économe en carburant qu'un turboréacteur pour les vitesses de croisière moyennes.

On le trouve, entre autres, sur de gros aéronefs comme sur le bombardier Tupolev Tu-95^[5], l'avion moyen courrier ATR 72 ou l'avion de transport militaire A400M^[6] qui peut atteindre 882 km/h (Mach 0,72^[7]) . D'autres aéronefs plus légers comme l'avion de transport Cessna 208 Caravan ou l'avion d'entrainement militaire Pilatus PC-21 possèdent un turbopropulseur, leur permettant d'atteindre aisément des vitesses de l'ordre de 300 km/h pour le Cessna et 685 km/h pour le Pilatus^[8].

Plusieurs entreprises aéronautiques produisent des avions à turbopropulseur, notamment Antonov, ATR^[9], Canadair, CASA, Beechcraft^[10], Embraer , Pilatus Aircraft^[10], Daher^[10] et Viking Air^[10].

Le turbopropulseur est particulièrement adapté aux avions dont la vitesse de croisière est comprise entre 300 et 800 km/h^[a]. Au-delà, la baisse du rendement aérodynamique de l'hélice, liée à l'écoulement transsonique ou supersonique en bout de pale, conduit à préférer le turboréacteur.

Le turbopropulseur est une turbomachine dont le fonctionnement est proche de celui d'un turboréacteur, bien que leur conception poursuive un objectif diamétralement opposé :

• un turboréacteur doit produire le maximum de poussée en éjectant le maximum de gaz à la vitesse la plus élevée possible, par la tuyère ;
• un turbopropulseur doit fournir le maximum de puissance pour la mise en rotation d'une hélice tout en perdant le minimum d’énergie dans les gaz d'échappement, afin de produire le déplacement d'un gros volume d'air le plus efficacement possible. Il est donc très similaire au fonctionnement du turbomoteur équipant les hélicoptères^[11], avec les mêmes contraintes de vitesse maximum en bout de pale^[b].

Par sa conception, le turbopropulseur obtient le maximum d'énergie possible pour faire tourner l'arbre de l’hélice, les gaz d'échappement ayant une température relativement faible et une vitesse d'éjection très réduite. Cette rotation de l'arbre moteur est renvoyée vers l'hélice au travers d'un réducteur mécanique. La poussée résiduelle d'échappement des gaz est faible (moins de 10 %), la majeure partie de la poussée étant produite par l'hélice avec un bien meilleur rendement qu'un réacteur classique, mais avec l'inconvénient de ne pas pouvoir approcher les vitesses supersoniques, du fait du risque de dépasser la vitesse du son en bout de pale d’hélice^[b].

Il existe des turbopropulseurs à turbine liée et d'autres à turbine libre. Dans le premier cas, la même partie tournante (turbine et arbre) s'occupe à la fois d'entrainer le compresseur (ou l'un des deux compresseurs) et de motoriser l'hélice, via un réducteur. Dans un turbopropulseur à turbine à libre, il y a une turbine séparée, chargée uniquement de fournir l'énergie mécanique à l'hélice. Il n'y a donc aucun lien mécanique entre l'hélice et les parties centrales du moteur. Si elle est plus complexes, l'architecture à turbine libre présente des avantages. En particulier, un turbopropulseur à turbine libre demande moins d'apport d'énergie pour le démarrage, car il ne faut mettre en rotation que les parties internes du moteur, et non l'hélice^[12].

Comme le nombre de degrés de liberté des turbopropulseurs à turbine liée et à turbine libre n'est pas le même, le nombre d'instruments moteurs n'est pas nécessairement le même, non plus. Par exemple, dans le cas d'un PT6A, à turbine libre, il est nécessaire de connaitre à la fois la vitesse de rotation du générateur de gaz d'une part (désignée habituellement par "N1") et d'autre part la vitesse de rotation de l'hélice (désignée habituellement par "N2" ou "RPM").

Comme pour les turboréacteurs, on distingue des turbopropulseurs à arbre unique ou à deux arbres. Dans le premier cas, un seul arbre relie l'ensemble des turbines et l'ensemble des compresseurs. Dans le deuxième cas, il existe deux arbres coaxiaux et non reliés mécaniquement, l'un reliant le compresseur basse pression à la turbine basse pression, l'autre, tournant à un régime plus élevée, relie les composants haute pression. La structure à deux arbres permet d'obtenir de plus haut taux de compression^[13].

A titre d'exemple, le Rolls-Royce RB.53 Dart est à arbre unique et turbine liée. Toutes les parties tournantes fonctionnent donc au même régime (environ 15 000 rpm), et une réduction de rapport 10:1 entraîne l'hélice. Le Europrop International TP400 possède un générateur de gaz à deux arbres, plus une turbine libre. Les parties tournantes sont donc réparties en trois ensembles mécaniquement indépendantes, tournants à des régimes différents^[14].

• 
  Principe de fonctionnement d'un turbopropulseur à turbine liée.
• 
  Passage de l'air dans un turbopropulseur en fonctionnement.
• 
  Réducteur mécanique d'un PT6A (Train épicycloïdal).
• 
  principe d'un turbopropulseur à turbine libre.

La partie générateur de gaz d'un turbopropulseur utilise les mêmes éléments qu'un turboréacteur. Ainsi, pour réduire les coûts de développement et profiter d'économies d'échelle sur les pièces, certains turbopropulseurs ont été conçus à partir de turboréacteurs, ou inversement. Ainsi, le Rolls-Royce AE 2100 (qui équipe notammet les C-130J Super Hercules) utilise les mêmes parties internes que le réacteur pour aviation d'affaires Rolls-Royce AE 3007^[15].

Un turbopropulseur fournit une puissance pour faire tourner l’hélice, tandis que le turboréacteur fournit une poussée.

L'hélice étant en rotation, on connaît son régime (en tours par minute par exemple), et son couple ce qui permet d'en déduire la puissance fournie d'après la formule :

${\displaystyle P={\vec {C}}\cdot {\vec {\Omega }}}$

Avec :

• ${\displaystyle P}$ : la puissance (en W).
• ${\displaystyle {\vec {C}}}$ : le couple (en N·m),
• ${\displaystyle {\vec {\Omega }}}$ : la vitesse de rotation (en rad/s),

Si l'on souhaite obtenir la puissance ${\displaystyle P}$ en chevaux (ch), on utilisera le régime de rotation ${\displaystyle N}$ en tr/min, et le couple ${\displaystyle C}$ en mètre-kilogramme (m · kg), ainsi qu'une constante :

${\displaystyle P={\frac {C\cdot N}{716,5}}}$

Principales entreprises fabriquant des turbopropulseurs :

• Canada
  • Pratt & Whitney Canada
• États-Unis
  • General Electric
  • Pratt & Whitney
  • Garrett puis Honeywell avec leur TPE331
• Tchéquie
  • Walter et son M601
• Ukraine
  • Ivtchenko-Progress ZMKB
• Royaume-Uni
  • Rolls-Royce
• France
  • Safran Aircraft Engines^[16] ou Safran Helicopter Engines

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Turboprop » (voir la liste des auteurs).

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v · m Moteurs à combustion interne
Fournissant un couple sur un arbre	* Moteur à explosion : à allumage commandé, à gaz, à deux temps, à quatre temps et leurs cycles (Beau de Rochas/Otto Diesel), à pistons rotatifs (Wankel) Turbine à gaz : Turbopropulseur et Turbomoteur
Moteur à réaction	* Aérobie : Moteur à ondes de détonation pulsées, Moteur à détonation rotative, Pulsoréacteur, Turboréacteur, Statoréacteur et Superstatoréacteur Anaérobie : Moteur-fusée

v · m Avion
Composants principaux	Cellule aile fuselage nacelle empennage train d'atterrissage Caisson de voilure Longeron Longeron de voilure Réservoir structurel Groupe motopropulseur hélice turbopropulseur turboréacteur statoréacteur Poste de pilotage manche à balai pilote automatique affichage tête haute servitude de bord Avionique communication navigation radar
Aérodynamique	Aérofrein Bandes de décrochage Bord de fuite Couche limite Dispositif hypersustentateur Effet de sol Finesse Générateur de tourbillons Instabilité de Crow Portance Profil Saumon Tourbillon marginal Traînée Turbulence de sillage Winglet (Ailerette)
Mécanique du vol	Roulis Tangage Lacet Stabilité longitudinale Commande de vol gouverne aileron élevon flaperon
Pilotage	Décollage (Catapultage) Croisière Atterrissage Amerrissage Appontage Contrôle aérien
Type d'avion	Ligne Fret Régional Affaires Tourisme Militaire chasse reconnaissance transport
Catégorie	Avion à réaction Avion suborbital ADAC ADAV Avion à effet de sol Avion à propulsion nucléaire Avion électrique Avion à hydrogène Avion solaire Hydravion Avion amphibie Planeur Drone ULM Aile volante Corps portant Modèle réduit

v · m Moteur à réaction
Aérobie	Moteur à ondes de détonation pulsées Moteur à détonation rotative Pulsoréacteur Soufflante non carénée Statoréacteur Superstatoréacteur Turbine à gaz Turbomoteur Turbopropulseur Turboréacteur Turbosoufflante Turbosoufflante à engrenages Aircraft Nuclear Propulsion
Anaérobie	Tuyère aerospike Hydrojet Moteur-fusée Moteur-fusée à ergols liquides Propulsion à propergol solide Propulsion ionique Statofusée
Non chimique	Moteur atomique Moteur à plasma Propulsion électrique Propulsion nucléaire thermique Voile solaire

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Turbines à gaz	Types Soufflante non carénée Turboréacteur Turbopropulseur Turbomoteur Turbosoufflante à engrenages Turboréacteur à double flux Composants mécaniques Boîtier d'entraînement des accessoires Postcombustion Compresseur axial Compresseur centrifuge Combustor (en) Entraînement à vitesse constante Propelling nozzle (en) Aube Terminologie Aircraft engine starting (en) Bypass ratio (en) Pompage Soufflage Integrated engine pressure ratio (en) Windmill restart (en)
Hélices	Composants Propeller governor (en) Propeller speed reduction unit (en) Terminologie Autofeather (en) Blade pitch (en) Hélice à pas variable (en) Hélices contrarotatives Counter-rotating propellers (en) Proprotor (en) Hélice-cimeterre
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