Avion: utilisation du moteur à pistons, petit rapport

[Christophe]

J'ai mis en téléchargement un compte rendu d'un petit projet d'étudiant que j'avais fait en 2001 sur les moteurs à piston en aviation (légère mais pas seulement). C'est assez synthétique et n'apprendra rien à kk1 qui connait un peu le domaine. Pour les autres ca donnera quelques bases.

A télécharger ici: Aviation, les moteurs à pistons en aéronautique

Voici le sommaire

1. Evolution des moteurs à pistons en aéronautique
1.1. Historique des moteurs
1.1.1. Les premiers moteurs
1.1.2. Les moteurs à pistons
1.1.3. Les avions à réaction
1.2. L’influence de l’avion sur l’automobile
2. Technologie des moteurs à pistons actuels
2.1. Rôle d’un propulseur, généralités
2.1.1. Moteurs à propulsion directe
2.1.2. Moteurs à propulsion indirecte
2.2. Moteurs à pistons : Notion de puissance et rendements
2.2.1. Rendement moteur
2.2.2. Rendement d’hélice
2.2.3. Rendement global
2.3. Les différents types de moteurs à pistons
2.3.1. Moteurs en ligne
2.3.2. Moteurs en étoile
2.3.3. Moteurs à plat
2.3.4. Moteurs en V
2.4. Notions sur l’hélice
2.4.1. Caractéristiques géométriques d’une hélice
2.4.2. Limites d’une hélice
2.4.3. L’hélice à calage variable
2.5. Variation de la puissance sur un moteur à pistons d’aviation
2.6. Fonctionnement du circuit de calage d’hélice
2.7. Particularités d’un moteur d’aviation par rapport à l’automobile
2.7.1. Les particularité des composants
2.7.2. Etude de la carburation
2.7.3. La suralimentation en aéronautique
2.7.4. Le refroidissement
3. Les remplaçants des moteurs à pistons en aéronautique
3.1. Les autres systèmes de propulsion
3.1.1. Les turbopropulseurs
3.1.2. Les turboréacteurs
3.1.3. Les stratoréacteurs
3.1.4. Les moteurs fusée
3.2. Le remplacement des moteurs à pistons : exemple du Canadair
3.3. Les moteurs diesels : exemple du moteur Morane Renault

A télécharger ici: Aviation, les moteurs à pistons en aéronautique

[Christophe]

Apres la diffusion de ce rapport, j'ai recu un email de Mr Paul Lucas, co-créateur du Dieselis, il m'a fait de nombreuses remarques judicieuses. Je lui ai demandé si je pouvais les mettre ici ou mieux que lui même s'inscrive sur les forums.

[Christophe]

Voila les remarques que je vais dès que possible, intégrer dans le rapport

1.1.2

>>un autre type de moteur plus léger et plus musclé s'imposait

non, c'était une cellule mieux conçue qui s'imposait : sinon stable et facile à piloter, qui soit au moins contrôlable, ce qui n'était pas le cas des engins d'Ader.

Par contre son moteur était nettement plus puissant et plus léger que celui des Wright (12 cv).

L'apport décisif des Wright n'est pas leur moteur, c'est leur méthode expérimentale: essais, progression méthodique, apprentisssage du pilotage et la pratique maîtrisée du virage trois axes (gauchissement).



>>un moteur d'automobile fortement modifié

un moteur de type automobile (4 cyl en ligne)



>>procurer la portance juste nécessaire

pas la portance, la vitesse



>>spirit of st louis équipé d'un Whirlwind

d'un Wright "Whirlwind".

La société porte le nom des frèresWright, mais ils n'en font pas partie.



113


>>moteurs à piston 1/2 kg de poussée pour chaque kg de moteur

Poussée statique ?

la poussée est d'environ 1.5 à 2 kg par cheval

la masse des moteurs à pistons de l'époque des premiers réacteurs (1944) était d'environ 0.5 à 0.6 kg/ch

ce qui fait 3 à 4 kg de poussée par kg de moteur



>>lors de puissantes accélérations, les hélices…

c'est au régime maximal continu, en palier (vitesse de rotation + vitesse d'avance) que le problème de vitesse en bout de pale se pose.



222 Rendement d'hélice

la formule qui suit est celle que l'on lit dans tous les bouquins mais elle prête à discussion car elle ne représente pas la réalité physique.

Si l'on met Vp = 0 (avion au point d'arrêt), on a un rendement nul, donc théoriquement une traction nulle, ce qui n'est pas le cas.

L'hélice n'accélère pas un avion, elle accélère une masse d'air.

Il faudrait donc considérer non pas la vitesse avion mais la vitesse de la masse d'air qui traverse l'hélice, qui n'est jamais nulle, même avion à l'arrêt.

La vitesse en aval de l'hélice est > vitesse avion.



>>rendement constant, voisin de 0.85

ça dépend du régime de vol (montée ou croisière).

Le rendement varie davantage, selon le régime pour lequel l'hélice est optimisée, disons de 0.70 à 0.85



23

>>4 grandes familles

2 familles : en étoile,

en ligne, simple ou double (en V ou à plat)





132 Curtiss



>>le plus puissant des moteurs en étoile

à simple étoile : 2100 ch, ok

les moteurs à deux étoiles ont atteint 3500 cv



241 une pale et non pas une pâle



>> le vrillage correspond…

le vrillage est une variation du calage pour obtenir une distribution de portance optimale le long de la pale.



>>section de référence

à 70 ou 75 %, pas à 50 %



27

>>le régime se situe aux environs de 3000 tours

plutôt 2500 – 2700



>>… plus le couple moyen est stable

est régulier.



311

Avec l'évolution du prix du pétrole (et les soucis de pollution), il manque une info esentielle concernant les TP (turbopropulseurs) : la variation de leur consommation spécifique en fonction du % de puissance. J'avais pu établir une courbe concernant le Cessna 208 Caravan (essai en vol). La doc de chez ATR a permis de valider l'allure de cette courbe. La sfc d'une turbine au ralenti est très élevée, voir courbe ci- jointe (source doc ATR). Forte consommation au parking (ATR en mode Hotel : le moteur droit remplace l'APU), au roulage, en descente. Cette info ne figure sur aucun site de fabricant de TP, évidemment. Le très mauvais rendement des réacteurs et TP à faible charge (et les émissions associées, combustion incomplète) est responsable d'une pollution très élevée sur les aéroports. Le pire de tous, le Concorde : 800 kg à 1 tonne de carburant pour le roulage.



32

>>les TP sont encore utilisés dans des avions vieillissants (?)

ATR 72-500, Bombardier Q-400 : consomment moins que les jets et se vendent très bien!



>> l'hélice permet d'atteindre M 0.6 à M 0.8

M 0.5, ok, M 0.6 grand maxi. Au delà c'est de l'hélice spéciale transsonique



32 Morane Renault

appellation modifiée par la suite SR : Snecma-Renault



>>rapport 10 entre la voiture et l'avion

je trouve un rapport environ 3 à 5

voiture 40 à 80 kW/ton

avion 100 à 200 kW/ton



>> conception robuste

le moteur peut être robuste mais la conception ?

La fiabilité vient de la suppression de l'allumage, de l'admission par pompe à injection à la place de carburateur, le carburant lubrifiant la pompe, et surtout de l'expérience accumulée de millions (ou milliards) de moteurs industriels et autres. C'est pour cette raison qu'un moteur diesel d'avion doit être le plus proche possible de la grande série et non pas un moteur "idéal" dont la mise au point sera inévitablement longue et coûteuse. Le développement d'un moteur "nouveau" coûte 3 fois plus cher que la modification d'un moteur existant. Ordre de grandeur 100 ME au lieu de 30 – 40 (info ingénieur moteur de chez Renault). Ci-joint un extrait de doc Snecma concernant les choix techniques du moteur SR.





>>cahier des charges moteur diesel

il manque un critère décisif (respecté par Thielert qui utilise des bases Mercedes) :

- le moteur doit être dérivé d'un moteur automobile pour réduire les frais de développement à un niveau supportable et intégrer le savoir faire de l'industrie automobile (fiabilité). Le bloc doit être le moins modifié possible. Cela implique une cylindrée unitaire < 0.7 litre et un refroidissement par eau. Quasiment tous les constructeurs automobile ont abandonné le refroidissement par air. En aviation le refroidissement par air entraîne une limitation du domaine de vol : moteur toujours trop chaud en montée (on enrichit pour refroidir, le top !) et trop froid en descente, choc thermique. Les avion rapides à moteurs Lycoming ne peuvent ni monter ni descendre à forte pente.



Conclusion

Ce qui a stoppé dans les années 50 le développement du moteur à piston c'est la limitation de vitesse (propulsion par hélice), face à la demande de grande vitesse (long courrier transatlantique), l'arrivée de réacteurs fiables ET le coût minime du carburant. La consommation des premiers réacteurs était très forte. Les derniers DC-7 et Lockeed Constellation avaient 30 et 35 000 litres de carburant, les B 707 capables de traverser l'atlantique 80 à 90 000 litres.



Progrès des réacteurs

Voici quelques documents :



Amélioration du rendement des avions 1960 - 2000. Cf. document Dgac - Snecma.

Les motoristes (réacteurs) présentent avec avantage leurs progrès techniques en "oubliant" les moteurs à pistons.

Les derniers moteurs "compound" qui récupéraient l'énergie des gaz d'échappement avaient une sfc de 0.175 kg/cv/h



idem, avec les chiffres depuis 1930.

Les chiffres d'avant 1960 montrent que les progès ont été faits essentiellement en vitesse mais pas beaucoup en consommation/kilomètre.

Les avions moyen courrier (A320) consomment plus que le long courriers, non pas parce qu'ils sont moins efficients, mais parce qu'ils passent plus de temps à faible charge moteur.



Perspectives

On peut faire aujourd'hui des avions à moteurs diesel (à hélices) consommant deux fois moins que des avions à turbopropulseurs et trois fois moins que les avions à réacteurs.

On peut aussi diviser par 10 la pollution d'aéroport (cycle LTO) :

. un A380 consomme 3980 kg de fuel en cycle LTO, soit 7 kg pour 550 passagers

. un avion propulsé par moteur diesel consommerait 700 g par passager pour le même cycle.

Bien cordialement,

Paul Lucas

[chatam]

Je suis globalement d'accord avec les remarques de Paul Lucas, sauf:
Le moteur à pistons le plus puissant qui a été en service développait 3750cv (Wright R3350 18cyl turbo compound dans sa dernière version), mais bien 3500cv (injection directe d'essence) sur le superconstellation.
Le rendement de l'hélice 70 à 85% sur les petits avions, a atteint 98% dans le meilleur des cas à l'altitude et vitesse de meilleur rendement: hélices contra-rotatives Soviétiques de type trans-sonique: voir bombardier TU 95 qui vole à 925km/h (235kw/tonne) avec 15000km d'autonomie...soit nettement mieux qu'un B52 à réaction...qui est juste un peu plus rapide (1000km/h)

Dans les années 50 l'on est aussi passé aux réacteurs pour d'autres facteurs:
-coût de maintenance 4 x moindre
-poids moitié moins élevé à poussée égale
-moins de bruit et pas de vibrations
Pour la vitesse on aurait pû faire des avions à hélice commerciaux volant à 800km/h sans trop de problèmes (voir le TU 114 des années 50-60=770km/h en croisière...)

En 1935, Il y avait le moteur diesel en étoile Clerget dont la conso était de 175g/cv/h, pareil que le Morane Renault 60 ans plus tard, mais avec un rapport poids puissance bien meilleur que le SMA qui n'a vraiment rien de révolutionnaire...et dont la mise au point s'est émaillée de nombreux incidents

[Christophe]

Une bonne courbe vaut mieux que tous les discours comme on dit:

[Plxdesi]

>Le rendement de l'hélice 70 à 85% sur les petits avions, a atteint 98% (hélices contra-rotatives Soviétiques)
Non, certainement pas : le rendement de propulsion maxi c'est environ 0.90 pour une contrarotative, et en dessous de Mach 0.7. La vitesse totale (vitesse avion plus vitesse de rotation) fait que ce Mach est une barrière absolue au delà de laquelle le rendement ne peut que diminuer parce que la vitesse en bout de pale dépasse largement M 0.80. Les avions de ligne (ailes en flèche, profils supercritiques) ne dépassent pas M 0.85 pour la même raison.

> le bombardier TU 95 qui vole à 925km/h (235kw/tonne) avec 15000km d'autonomie...soit nettement mieux qu'un B52 à réaction...qui est juste un peu plus rapide (1000km/h)

Tu 95, vitesse de croisière 720 à 750 km/h. Record de vitesse enregistré en 1989 : 834 km/h. Le Tu 95 a pu atteindre cette vitessse parce qu'il était très fortement motorisé. Des hélices spéciales transsoniques (ce n'était pas le cas du Tu 95) peuvent aller jusqu'à à M 0.80, mais c'est au prix d'une perte de rendement, qui tombe à environ 0.82 à Mach 0.80.
Sources "Peyrat-Armandy, les avions de transport ", Tu-95 Bear Warbird Tech Series

[chatam]

Une bonne courbe vaut mieux que tous les discours comme on dit:

https://www.econologie.com/photo/puissan ... iation.gif

Je connais cette courbe, le hic, c'est qu'elle est faussée car dans les années 50 il n'y avait pas de charter , l'avion c'était un moyen de transport de luxe, et les points qui sont notés pour les avions à réaction récents sont les versions haute densité (A380 à 800 places par exemple...(bonjour le confort...)
Ainsi les avions les plus modernes A340, B777 ou A380 en version normale ont une consommation en réalité à peine équivalente à celle du BR763 qui elle même était en réalité légèrement inférieure à celle du Loockeed 1049 Superconstellation (source Air France) qui il est vrai était plus rapide...

Quand à Plxdesi, il a tendance à réécrire l'histoire de l'aviation sur foi d'une seule source...je préfère croire des sources plus sérieuses et multiples surtout lorsque les infos se recoupent...

[Christophe]

Ah oui bonne remarque Chatam...

D'ailleurs il manque le A380 il doit être au "sud sud est" du B 777 je suppose...

Bon ils attendent quoi pour refaire des diesel alors les constructeurs?

[Andre]

Bonjour

Pour la petite aviation peu de petits moteurs ont été développé et bien réussit (dans la gamme de 60hp a 180Hp) je ne parlerais pas de la fiabilité ,mais de l’adaptation avion/ moteur/ hélice ..
Parmi les plus réussit le Continental 90hp le lycoming 180hp
Les mal adaptés et les plus répandu le continental 100hp , le 85 hp , le Franklin 125hp
Le plus mauvais attelage hélice moteur c’est sur le Cessna 150 et c’est l’avion le plus vendu …
Un moteur d’avion doit avoir un couple élevé il a une conception différente d’une automobile ,
Il doit tourner a 2800rpm maximum , atteindre son couple maximum vers 2300rpm , avoir 75% de sa puissance a 2400 rpm etre capable de fournire 80 % de sa puissance en continue , et si monté sur une hélice a pas fixe pouvoir aller chercher 100% de sa puissance nominal en palier.
Etre simple , leger , robuste , est fiable ,
Cela convient a des moteurs de (grosse) cylindré avec un arbre a cam qui a une épure pour le couple et la puissance a basse vitesse (tout l’oppossé du moteur pointu d’automobile)

Etrangement on remarque que c’est des caracteristiques du moteur diesel
L’inconvénéant dans le diesel auto il est lourd , vibreu au ralentie, a besoin d’un volant assez consistant , il vas chercher son maximum de puissance a des regimes de 4000 rpm ,qui oblige le constructeur a poser un réducteur , qui a l’inconvénéant de limiter le choix dans le hélices .
Les hélices métalliques avec un réducteur a engrenage pose probléme sur les engrenages
Les reducteurs a courroie demande un remplacement de courroie au 500heures
Un réducteur c’est aussi des pertes mécaniques , le poids gagner sur le moteur est perdu dans le réducteur ..
Autre probléme sur les moteurs autos c’est toute la servitude éléctronique qui ne peut etre doublé pour la fiabilité , et qui a moins son utilité sur des moteurs a régime constant.

En aviation la fiabilité, passe avant le rendement et l’économie ..

Si les constructeurs automobile avaient dessiné un moteur diesel injection indirect mécanique , qui a un cylindré assez importante sa pleine puissance a 3000 rpm
Son couple maximum a 2000 rpm un poids interessant, cela ferait le candidat idéal pour un avion.

Contrairement a ce que bien des gens pensent au sujet des hélices , une hélice a pas variable , a un vrillage parfait seulement a une certaine position , lorsque la pale tourne sur le moyeu le vrillage théorique varie plus rapidement en bout de pale qu’au moyeu
Elle devient défavorable au grand pas.
Un hélice a pas variable n’a d’utilité que pour un avion rapide , poser une hélice a pas variable sur un Piper J3 ou un ULM qui a une vitesse de 120 kmh en monté et une vitesse de 160kmh en croisere est ridicule , une hélice a pas fixe bien proportionner est aussi performante.
Un bonne hélice a un faible glissement en croisiere autour de 10%
Elle doit etre de diametre suffisament grand avoir une vitesse en bout de pale autour de 750kmh (celle qui tourne les plus vite sur les Cessna 180 atteigne 1050 kmh en bout de pale au décollage ) en croisiere autour de 800kmh .
La tendance est de poser des hélices de petits diametre , pour palier au manque de couple des moteurs, cela fait un glissement important au décollage et en monté . ( cas du Cessna 150)
Il y a plusieurs école de pensé suivant les pays
En Russie c’est des grandes hélices, largue pale , a bout carré
En Amerique c’est des grandes hélice minimum 1,80m a 2,15m avec des pales a bout moyen, carré ou arrondi. En duralumin et en composite
En France c’est des petite hélices , avec des bouts étroits , en pointe ou legerment arrondi géneralement en bois ou composite .

Les meilleures hélices ont été dessiné par Lucien Chauvier dans les début de l’aviations presque tous les héliciers on pris model de ses dessins ..
Parfois je me demande pourquoi ce savoir faire c’est perdu ..

André

[Plxdesi]

>les points qui sont notés pour les avions à réaction récents sont les versions haute densité (A380 à 800 places par exemple...
Cette figure vient d'un document Dgac-Snecma de 2005. L'A380 n'y figure sans doute pas.
>Quand à Plxdesi, il a tendance à réécrire l'histoire de l'aviation sur foi d'une seule source... je préfère croire des sources plus sérieuses.
1. Vous voulez dire que le livre de Peyrat Armandy n'est pas une source sérieuse ? Ce serait bien de citer vos sources.
2. Le document sur le Tu-95 cite 14 records du monde, en vitesse et altitude à diverses charges. Si cet avion pouvait atteindre 900 km/h ou plus, on peut se demander pourquoi ce record n'a pas été établi.
> Le rendement de l'hélice 70 à 85% sur les petits avions, a atteint 98% dans le meilleur des cas... hélices contra-rotatives.
Le rendement de 0.98 que vous donnez pour une hélice contrarotative est la valeur théorique de rendement propulsif (en fluide parfait sans pertes dûes à la rotation), qui est évidemment meilleur que le rendement d'hélice effectif, celui que vous avez donné pour les "petits avions". Interaction donne pour le Tu-95 un rendement propulsif de 0.988 pour un rendement d'hélice effectif de 0.90. Un "petit avion" peut arriver à 0.86 - 0.87 de rendement effectif.