phénomènes de transport (PSI) · Chapitre 5 · Exercice de TD
La tuyère d'un turboréacteur, et celle d'un moteur-fusée
Système fermé et bilans d'énergie · D. Bilans thermodynamiques d'un écoulement stationnaire · niveau 2
Énoncé
À la sortie de la turbine d'un turboréacteur, les gaz brûlés (gaz parfait, , ) entrent dans la tuyère à , , , et en sortent à la pression ambiante . La tuyère est fixe, adiabatique, horizontale.
1) Appliquer le premier principe à la tuyère. Pour une détente isentropique, établir la formule de Saint-Venant et calculer et . Le terme est-il négligeable ? Comparer à la vitesse du son dans les gaz de sortie, .
2) La tuyère réelle a un rendement défini par , où est la vitesse de la question 1. Calculer , et l'entropie massique créée. Pourquoi impose-t-il ?
3) Cas limite : quelle vitesse atteindrait-on en détendant jusqu'au vide ? Tracer l'allure de en fonction de .
4) Dans le moteur d'un lanceur à hydrogène et oxygène liquides, les produits de combustion (vapeur d'eau et hydrogène en excès, masse molaire , assimilés à un gaz parfait de ) quittent la chambre à sous , à vitesse négligeable, et sont détendus jusqu'à . Calculer la vitesse d'éjection isentropique et la vitesse limite ; . Pourquoi l'hydrogène, et pourquoi en excès ?
Corrigé
La stratégie. Une tuyère n'a pas de pièce mobile et le gaz la traverse trop vite pour échanger de la chaleur : , , . Le premier principe se réduit à : l'enthalpie perdue devient énergie cinétique. Le deuxième principe dit jusqu'où.
1) La formule de Saint-Venant. , et pour le gaz parfait . Isentropique : (Laplace). En combinant, Avec : , , et pèse de : ici, on ne le néglige pas (sans lui, , d'erreur). Avec , la vitesse du son en sortie vaut : le jet sort à Mach , une tuyère convergente suffit. Le bilan d'énergie, lui, ne dépend pas de la forme de la tuyère.
2) La tuyère réelle. donne ; l'enthalpie convertie vaut , d'où . Adiabatique : et À la même pression de sortie, croît avec ; l'état isentropique est donc le plus froid possible, et toute création d'entropie (, frottements dans la couche limite) laisse le gaz plus chaud, avec moins d'enthalpie convertie : . Ici, la vitesse d'éjection perd et l'énergie cinétique du jet .
3) Détente jusqu'au vide. : , toute l'enthalpie du gaz (au sens de ) devenue énergie cinétique, gaz à : limite inaccessible (le gaz se condenserait bien avant), mais qui borne la vitesse. La courbe monte vite aux faibles détentes puis sature :
4) Le moteur-fusée. , (trois fois celui de l'air). Avec et : Les gaz sortent à : il reste de non converti, d'où les grands divergents des moteurs d'étage supérieur. Comme , : à température donnée, les produits les plus légers vont le plus vite. Des produits de masse molaire (kérosène-air) sortiraient à dans les mêmes conditions. On brûle l'hydrogène en excès (rapport de masse oxygène/hydrogène voisin de 6, pour 8 à la stœchiométrie) : on perd un peu de température, mais on abaisse de à et l'on gagne en vitesse.
Ce que l'exercice installe. La tuyère convertit l'enthalpie en énergie cinétique, , et c'est le seul organe où est le terme principal. La détente isentropique d'un gaz parfait donne la formule de Saint-Venant ; l'entropie créée ( pour un écoulement adiabatique) chiffre l'écart à l'idéal, et un rendement défini dans l'énoncé le résume. La vitesse d'éjection croît comme .
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