Les aubes de stator expliquées : La clé de la puissance des turbines et ce qui se passe en cas de défaillance

Vous êtes-vous déjà demandé comment fonctionne un énorme moteur à réaction ? Il ne s'agit pas d'une seule pièce. C'est une équipe de pièces qui travaillent ensemble. Deux des pièces les plus importantes sont le stator et le rotor. Cet article est un guide simple qui vous aidera à comprendre la girouette du stator. Nous verrons ce qu'elle est. Nous verrons pourquoi elle est si importante pour toute turbine ou tout moteur à réaction. Nous apprendrons également à quoi ressemble une analyse de défaillance lorsque les choses tournent mal. Poursuivez votre lecture pour découvrir le héros secret des moteurs les plus puissants du monde.

Qu'est-ce qu'une palette de stator ?

Une aube de stator est une pièce qui reste en place et ne bouge pas. Elle se trouve à l'intérieur d'une turbine ou d'un compresseur. On peut l'assimiler à une ailette ou à un profil aérodynamique placé à un endroit très précis. Il est différent des pales de rotor qui tournent. Le stator ne bouge pas du tout. Son rôle est de contrôler la façon dont l'air ou le gaz se déplace dans le moteur. Il contrôle également la vitesse de cet air ou de ce gaz. Vous trouverez un stator dans de nombreuses machines. Il peut s'agir d'un gros moteur à réaction ou d'une petite turbine de turbocompresseur.

Chaque stator est constitué d'un grand nombre de ces petites ailes, appelées palettes. Ces palettes sont disposées en cercle à l'intérieur de l'enveloppe extérieure du moteur. Un stator peut se trouver dans la partie compresseur, qui comprime l'air. Il peut également se trouver dans la partie turbine, qui produit de l'énergie à partir du gaz chaud. La tâche la plus importante de la palette du stator est d'orienter le flux d'air ou de gaz. Elle l'oriente vers le groupe suivant d'aubes mobiles. Ces pales mobiles font partie du rotor. C'est ce travail d'équipe qui fait la force et le bon fonctionnement d'un moteur.

Comment le stator fonctionne-t-il avec le rotor ?

La façon dont le stator et le rotor fonctionnent ensemble est comme une danse parfaite. Le rotor tourne très, très vite. Il est poussé par la force de l'air ou du gaz. Ses pales poussent l'air ou le gaz pour faire fonctionner le moteur. Mais si l'air ou le gaz frappe le rotor dans la mauvaise direction, une grande partie de la puissance est perdue. C'est là que le stator intervient.

Le stator est placé juste avant ou juste après un rotor en rotation. Lorsque l'air quitte un rotor en rotation, l'air lui-même est en rotation. Le stator, qui ne bouge pas, attrape cet air en rotation. Ensuite, il remet l'air en ligne droite. Il fonctionne comme un ensemble d'aubes directrices. Cela permet à l'air d'atteindre le groupe suivant de pales du rotor à l'angle parfait. Cette série d'étapes - tourner, redresser, tourner, redresser - se répète sans cesse à l'intérieur du moteur. Cette danse entre le stator et le rotor permet au moteur d'atteindre une pression très élevée. Cette pression élevée est synonyme de puissance accrue. La façon dont le stator et le rotor travaillent ensemble est très importante pour le bon fonctionnement d'une turbine.

Pourquoi les stators sont-ils si importants dans une turbine ou un compresseur ?

Le stator est très important pour qu'un moteur fonctionne bien sans gaspiller d'énergie. Sans stator, une turbine ou un compresseur serait très faible. La principale raison en est la pression. Dans un compresseur, l'objectif principal est de comprimer fortement l'air. C'est ce qu'on appelle l'augmentation de la pression, qui se produit à chaque étage. Le stator contribue à augmenter cette pression. Il ralentit l'air provenant du rotor. Cette action transforme la vitesse de l'air en une pression accrue.

Le compresseur fonctionne ainsi beaucoup mieux. Dans une turbine électrique, le stator fait l'inverse. Il accélère le mouvement du gaz chaud. Il dirige ensuite ce gaz vers les pales de la turbine. La turbine tourne alors avec plus de force. Le fait de mieux contrôler le flux signifie que l'efficacité de la turbine est meilleure. Une bonne conception du stator permet d'obtenir de meilleures performances aérodynamiques. Cela signifie également que moins d'énergie est gaspillée et que le moteur est plus puissant. Le stator veille à ce que le moteur fonctionne correctement dans toutes les conditions d'utilisation.

Pouvez-vous expliquer la relation entre le stator et le rotor dans un moteur à réaction ?

Dans un moteur à réaction, la façon dont le stator et le rotor travaillent ensemble est très importante. Un moteur à réaction comporte deux parties principales où l'on retrouve ce travail d'équipe entre le stator et le rotor. Le compresseur se trouve à l'avant et la turbine à l'arrière. La partie compresseur comporte plusieurs étages. Chaque étage comporte un jeu de pales de rotor et un jeu d'ailettes de stator. Le rotor donne de l'énergie et de la vitesse à l'air. Le stator transforme ensuite cette vitesse en une pression plus élevée. Ce processus se répète à l'infini. Cela rend l'air très épais et chaud avant que le carburant n'y soit mélangé.

Après la combustion du combustible, le gaz chaud, qui contient beaucoup d'énergie, se déplace très rapidement vers l'arrière. Là, il entre dans la partie turbine. La turbine haute pression comporte également des étages de stator et de rotor. Les tuyères du stator projettent le gaz chaud sur les pales de la turbine. Cela les fait tourner. Cette rotation alimente le compresseur situé à l'avant du moteur. L'angle exact de l'aube du stator est très important. La moindre erreur peut entraîner un flux d'air instable, susceptible d'endommager le moteur. L'air à l'intérieur du moteur à réaction est soumis à un flux complexe. Il se déplace très rapidement, presque à la vitesse du son, dans un champ d'écoulement à l'état transsonique.

Qu'est-ce qu'une aube de stator génère réellement ?

C'est une très bonne question. Une palette de stator ne génère pas d'énergie comme le fait un rotor. Le rotor est la partie qui fait le travail. Que fait donc un stator ? Le stator crée la meilleure situation pour le flux d'air. Cela permet au rotor de très bien faire son travail. Il prépare l'air ou le gaz.

Pensez-y comme à un lanceur dans un match de base-ball. Le lanceur (le stator) ne marque pas le point. Mais en lançant la balle à la bonne vitesse et au bon angle, le lanceur permet au batteur (le rotor) de frapper un coup de circuit. L'aube du stator joue trois rôles principaux dans le flux :

• Il change la direction. Il plie le flux d'air pour qu'il aille dans la bonne direction. Son rôle est de rediriger le flux.
• Il modifie la vitesse. Il peut ralentir le flux pour augmenter la pression (dans un compresseur). Il peut aussi accélérer le flux pour créer plus de force (dans une turbine).
• Il élimine les tourbillons indésirables. Il empêche l'air ou le gaz de tourner d'une manière qui n'est pas utile. Le flux est ainsi plus régulier et plus efficace.

Ce faisant, le stator aide le moteur à générer plus de puissance sans gaspillage. La forme aérodynamique spéciale de la palette est conçue à cet effet.

Qu'est-ce qui conduit à une défaillance de l'aube du stator ?

Même les pièces conçues pour être très résistantes peuvent se briser. La défaillance d'une aube de stator est un gros problème pour n'importe quelle turbine. L'une des principales causes de défaillance des pièces est la fatigue du métal. Celle-ci peut provoquer une fracture de fatigue. Cela se produit parce que le stator est toujours frappé par de l'air en mouvement rapide. Il subit également d'importants changements de température et de pression. Après des milliers d'heures d'utilisation, de minuscules fissures peuvent apparaître et s'agrandir. Cela se produit souvent près du bord arrière de l'aube, appelé bord de fuite.

Les secousses, ou vibrations, sont une autre cause importante de défaillance. La vitesse de rotation élevée du moteur peut faire trembler les pièces. Si la secousse se produit à la bonne vitesse pour l'aube du stator, elle peut être si forte qu'elle se brise. De petits morceaux de matériau dans le moteur, comme un morceau de glace ou une pale de compresseur cassée, peuvent également heurter un stator et le faire tomber en panne. La défaillance d'une ailette du stator peut déclencher une série d'événements néfastes. Elle peut endommager le rotor et d'autres pièces du moteur. De nombreux rapports font état de défaillances qui commencent par la rupture d'une seule petite pièce du stator.

Comment les experts procèdent-ils à une analyse des défaillances techniques d'un stator ?

Lorsqu'un stator tombe en panne, une analyse des défaillances techniques commence. Il s'agit d'une sorte de roman policier pour les ingénieurs. Leur objectif est de découvrir exactement pourquoi la pièce s'est cassée. Cela permet de s'assurer que cela ne se reproduira pas. La première chose à faire est de rassembler soigneusement toutes les pièces cassées. Les enquêteurs examinent la surface des pièces à l'aide d'un microscope. Ils recherchent ainsi l'origine de la fissure.

Les ingénieurs utilisent des outils spéciaux. Une analyse numérique peut créer un modèle informatique des forces et de la chaleur auxquelles le stator était soumis. Ce modèle informatique peut montrer si la contrainte était trop élevée à un endroit donné. Ils réalisent également une étude numérique et expérimentale. Dans cette étude, ils testent une pièce identique à la pièce cassée jusqu'à ce qu'elle se brise. Il s'agit de voir si elle se rompt de la même manière. Parfois, le XCT a été utilisé. Il s'agit d'une puissante radiographie en 3D qui permet d'examiner l'intérieur du métal à la recherche de problèmes invisibles, sans couper la pièce. Un système de mesure des coordonnées permet de vérifier si l'aube a été fabriquée avec la forme et la taille correctes. Le fait de trouver la raison principale du problème permet de recommander de bonnes façons de le résoudre.

Quels sont les signes d'une défaillance du stator d'une turbine ?

Il est impossible de voir l'intérieur d'une turbine lorsqu'elle fonctionne. Alors, comment savoir si un stator a un problème ? Les pilotes et les ingénieurs recherchent certains signes. Un stator défaillant perturbe la circulation de l'air. Cela peut entraîner différents problèmes.

Voici quelques signes communs à rechercher :

• Perte de puissance : si le stator ne guide pas l'air de la bonne manière, la turbine ne produira pas autant de puissance. Le débit massique de l'air peut diminuer.
• Vibrations accrues : Une palette de stator cassée ou fissurée peut déséquilibrer le moteur. Cela peut provoquer de fortes vibrations.
• Bruits étranges : Un morceau d'aube cassée se déplaçant à l'intérieur du moteur peut produire de très mauvais bruits.
• Température élevée des gaz d'échappement : Dans une turbine à gaz, si l'air ne circule pas bien en raison d'un stator défectueux, la température des gaz d'échappement peut augmenter. Il s'agit d'un signal d'alarme important.
• Décrochage du moteur : Dans un compresseur de moteur à réaction, une mauvaise circulation de l'air due à un stator défectueux peut provoquer un décrochage du compresseur. Cela se produit lorsque le flux d'air s'arrête ou même recule. Cela peut provoquer une forte détonation et une perte de puissance du moteur. Ce phénomène peut être causé par un rapport de pression incompatible.

Comment améliorer la conception et la fabrication des aubes de stator ?

Les ingénieurs essaient toujours d'améliorer le stator. L'objectif est de le rendre plus résistant, plus léger et plus performant, avec moins de déchets. Un domaine important est l'optimisation de la forme aérodynamique. Il s'agit de trouver la meilleure forme possible. En utilisant de puissants modèles informatiques, les concepteurs peuvent créer une forme d'aube qui guide l'air sans perdre beaucoup d'énergie. Cela fait partie d'une étude numérique visant à améliorer le fonctionnement des pièces. Cela est particulièrement important dans des conditions telles que celles qui prévalent à haute altitude, appelées conditions à faible nombre de Reynolds.

Les matériaux utilisés pour fabriquer le stator s'améliorent également. De nouveaux types de métaux peuvent supporter une chaleur plus élevée et davantage de contraintes. C'est très important dans la partie du moteur située à l'entrée de la turbine, là où le gaz est le plus chaud. De meilleures méthodes de fabrication sont également utiles. Par exemple, un processus appelé "cavitation abrasive integrated waterjet peening" peut être utilisé pour améliorer l'intégrité de la surface des pièces en alliage de titane TA19. Ce procédé rend la surface du métal beaucoup plus solide et moins susceptible de se fissurer. L'intégrité de l'alliage de titane TA19 utilisé dans les moteurs modernes s'en trouve améliorée.

La fabrication additive est-elle l'avenir des aubes de stator ?

Oui, la fabrication additive, également appelée impression 3D, modifie la fabrication des aubes de stator. Auparavant, la fabrication d'un stator de forme complexe était difficile et coûtait beaucoup d'argent. Avec la fabrication additive, un stator peut être construit une couche à la fois à partir d'une poudre métallique. Cela permet de créer de nouvelles formes qui sont difficiles à réaliser et qui n'étaient pas possibles auparavant. Par exemple, un stator peut être imprimé avec des canaux de refroidissement à l'intérieur. Ces canaux l'aident à supporter une chaleur très élevée.

Cette nouvelle technologie permet d'obtenir une meilleure optimisation. Elle permet également de fabriquer des pièces moins lourdes, ce qui est très important pour les avions. Mais il y a encore des défis à relever. Il est très important de s'assurer de la solidité géométrique et de la qualité d'une pièce imprimée en 3D. De nombreuses personnes étudient la précision géométrique des pièces de stator fabriquées par LPBF. Ce travail vise à s'assurer que la précision des aubes de stator fabriquées à l'aide de LPBF est aussi bonne, voire meilleure, que celle des pièces originales fabriquées à l'aide de méthodes plus anciennes. Au fur et à mesure que cette technologie s'améliore, vous pouvez vous attendre à voir davantage de pièces de stator imprimées en 3D dans les prochains moteurs qui seront construits.

Principaux points à retenir

• Les stators sont stationnaires : Contrairement aux rotors qui tournent, les stators sont des pièces qui restent en place à l'intérieur d'un moteur.
• Ce sont des guides de flux : La principale fonction d'une aube de stator est de guider l'air ou le gaz pour qu'il atteigne l'ensemble suivant de pales du rotor à l'angle parfait.
• Le travail d'équipe est essentiel : La façon dont le stator et le rotor fonctionnent ensemble est ce qui rend un compresseur ou une turbine puissant et efficace.
• Une défaillance est grave : un stator défaillant peut provoquer des tremblements, une perte de puissance, voire une défaillance de l'ensemble du moteur.
• L'avenir, c'est la nouvelle technologie : De nouvelles idées de conception, de meilleurs matériaux et de nouvelles technologies telles que la fabrication additive rendent les aubes de stator plus résistantes et meilleures que jamais.