Sur la voie d’architectures de moteurs plus efficaces et plus durables
Le moteur Ultra-High Propulsive Efficiency (UHPE), l’un des démonstrateurs phares du programme de démonstrateur intégré de technologie de moteur de l’initiative Clean Sky 2, vise à améliorer davantage le rendement énergétique et la consommation de carburant ainsi qu’à réduire les émissions nocives par rapport aux turboréacteurs les plus efficaces d’aujourd’hui. Ces objectifs devraient être atteints en améliorant l’efficacité propulsive et thermique du moteur au-delà de l’état actuel de la technique. L’une des approches permettant d’accroître les performances propulsives et thermiques du moteur consiste à augmenter le taux de dilution et à réduire le taux de pression de la soufflante. En particulier, il est nécessaire d’obtenir un taux de dilution supérieur à 15:1 pour répondre à des objectifs environnementaux ambitieux. Cette valeur pose toutefois des défis techniques essentiellement liés aux matériaux utilisés dans le module du système d’entraînement du moteur UHPE.
Le défi posé par les moteurs à hauts taux de dilution
Le taux de dilution d’un turboréacteur représente le rapport entre le flux primaire (le débit massique pénétrant dans le réacteur) et le flux secondaire (le débit massique s’écoulant le long de la chambre de combustion). Plus le volume d’air dévié est important, plus le moteur est silencieux et efficace. Le concept de turbosoufflante à engrenages est avantageux pour les moteurs affichant de très hauts taux de dilution. «La technologie de taux de dilution ultra-haut qui a vu le jour grâce au concept de turbosoufflante à engrenages, qui découple les vitesses de la soufflante et de la turbine au moyen d’un système d’entraînement intégré, constitue une architecture innovante qui permet de réduire considérablement la consommation de carburant, le bruit et les émissions», explique Ida Bartilotta, ingénieure de recherche pour la société italienne AM Testing et coordinatrice du projet HILOGEAR, financé par l’UE. «Les matériaux classiques utilisés par l’industrie aérospatiale pour les paliers et les engrenages ne présentent pas toutes les caractéristiques techniques nécessaires leur permettant de satisfaire aux exigences de résistance requises pour la boîte d’engrenages de puissance UHPE. De nouveaux matériaux et traitements thermiques doivent donc être étudiés», ajoute Ida Bartilotta.
Test de la performance des matériaux dans des conditions réalistes
Avec le soutien de HILOGEAR, AM Testing a mené une série de tests afin de déterminer la résistance statique et la résistance à la fatigue des engrenages et des paliers face aux mécanismes d’endommagement classiques, tels que la flexion et l’abrasion. Les activités expérimentales visaient à évaluer les performances des matériaux des paliers et des engrenages dans des conditions de fonctionnement similaires à celles des nouveaux moteurs (charges et températures élevées). Le banc d’essai pour les tests de flexion et d’abrasion permet d’atteindre une puissance de circulation de 1 MW et une vitesse maximale de 140 m/s au niveau de l’axe de tangage. La température maximale du lubrifiant est de 180°C, et des tests dans des conditions extrêmes peuvent également être réalisés. Les chercheurs ont étudié et testé des traitements prometteurs de surface de matériaux à base d’acier adaptés aux engrenages et aux paliers. S’agissant des paliers, les chercheurs ont mené 46 tests (plus de 34 000 heures) qui ont fait appel à deux combinaisons de matériaux et de méthodes de traitement thermique. Qui plus est, ils ont procédé à 228 autres tests (plus de 3 700 heures) sur l’endurance des matériaux d’engrenage, en utilisant cinq combinaisons de matériaux et de méthodes de traitement thermique.
Prélude à une nouvelle ère dans le domaine des moteurs d’avion à haute performance
Les résultats de HILOGEAR s’inscrivent dans le cadre des efforts d’amélioration de la technologie de réacteur du démonstrateur UHPE. En outre, les résultats du projet seront mis à profit dans des études et des projets de recherche futurs. «HILOGEAR a permis à la PME AM Testing, de collaborer avec une grande entreprise, Schaeffler Aerospace Germany, au développement de systèmes de paliers et d’engrenages de haute précision destinés aux moteurs d’avion. Nous avons également resserré nos liens avec la société italienne d’aviation d’affaires Avio Aero, ouvrant ainsi la voie à une collaboration future», conclut Ida Bartilotta.
Mots‑clés
HILOGEAR, engrenages, paliers, AM Testing, Ultra-High Propulsive Efficiency, turbosoufflante à engrenages, taux de dilution ultra-haut, Schaeffler Aerospace Germany, Avio Aero
