Le Pratt & Whitney Canada PT6 est l'un des turbopropulseurs les plus utilisés dans le domaine aéronautique. Il s'agit d'un moteur à flux inversé conçu et fabriqué par Pratt & Whitney Canada pour les aéronefs. Il est reconnaissable par ses échappements caractéristiques situés de part et d'autre du moteur. Il est décliné en 4 variantes :
Le PT6A, qui est un turbopropulseur qui se destine aussi bien à l'aviation d'affaire qu'aux avions de ligne et avions agricoles [1].
Les PT6B, PT6C et PT6T qui sont des turbomoteurs destinés aux hélicoptères [2].
Conception
En 1956, la demande pour le moteur radialWasp était encore forte et sa ligne de production était solide et rentable. Prévoyant la nécessité de produire des moteurs ayant un rapport poids/puissance beaucoup plus élevé que les moteurs à pistons, le président de P&WC, Ronald Riley, demanda à l'ingénieur Dick Guthrie d'établir un groupe de développement pour créer un turbopropulseur. Pour ce faire Riley accorda à Guthrie un modeste budget de 100 000 dollars canadiens. Guthrie recruta de jeunes ingénieurs du Conseil national de recherches à Ottawa et de Orenda Engines en Ontario. En 1958, le groupe commença le développement d'un turbopropulseur destiné à fournir 450 ch. Le premier moteur fut mis en marche et fonctionna avec succès en [3],[4]. Ce moteur vola pour la première fois le , monté sur un Beechcraft Model 18De Havilland Canada à Downsview, Ontario. La production à grande échelle commença en 1963, avec une entrée en service l'année suivante.
De 1963 à 2016 le rapport poids/puissance fut amélioré de 50%, la consommation de carburant spécifique au frein diminuée de 20% et le rapport de pression porté à 14:1 [5]. Son développement se poursuit encore aujourd'hui et même si sa configuration de haut niveau est la même qu'en 1964, P&WC a mis à jour le PT6, notamment avec des aubes de turbine monocristal au début des années 1990 et l'introduction du système FADEC. Son rapport de pression est de 13:1 dans le tiltrotorAgustaWestland AW609[6].
En réponse au General Electric GE93, Pratt & Whitney Canada lancera en 2017 des tests de démonstration de la technologie et des systèmes de base du moteur pour un moteur de 2 000 chevaux proposé pour remplacer les versions les plus puissantes du PT6 [7]. Probablement au cœur du développement du PT6C, il se situerait entre la PT6C-67C / E de 1750 ch et la famille de 2 300 sch PW100, et devrait être prêt à être lancé d'ici la fin de 2017 pour une plate-forme initiale hélicoptère avec une réduction de 10-15% de consommation de carburant spécifique au frein[8]. Ce développement de 2 000 sch cible un nouveau marché : un Super PC-12, un TBM plus puissant ou un King Air plus grand; pour mieux intégrer le système de propulsion et le plan de maintenance, l'hélice et le contrôleur électronique du moteur sont testés en , de nouveaux éléments sont en cours et un démonstrateur complet devrait être opérationnel d'ici la fin de l'année 2017 [9].
PW100
Lorsque de Havilland Canada réclama un moteur beaucoup plus gros pour le DHC-8 (soit environ le double de la puissance de la version Large du PT6) P&WC réagi avec un nouveau design connu sous le nom de PT7, rebaptisé plus tard Pratt & Whitney Canada PW100.
Développement
Toutes les versions du moteur se composent de deux sections qui peuvent être facilement séparées pour la maintenance : un générateur de gaz fournit du gaz chaud à une turbine de puissance libre [10]. Le démarreur accélère seulement le générateur de gaz, ce qui facilite le démarrage du moteur, en particulier par temps froid [10]. L'air pénètre dans le générateur de gaz à travers un tamis d'entrée dans le compresseur axial à basse pression. Cela se passe en trois étapes sur les versions petites et moyennes du moteur et en quatre étapes sur les grandes versions. L'air s'écoule ensuite dans un compresseur centrifuge à un étage, à travers une chambre de combustion annulaire pliée, et enfin à travers une turbine à un étage qui alimente les compresseurs à environ 45 000 tr/min. Le gaz chaud provenant du générateur de gaz s'écoule dans la turbine de puissance, qui tourne à environ 30 000 tr/min. Il y a une étape sur les moteurs de la série Small et deux étapes sur les Medium et Large. Pour l'utilisation de turbopropulseurs, cela alimente une boîte de vitesses planétaire à deux étages, qui fait tourner l'hélice à une vitesse de 1900 à 2200 tr/min. Les gaz d'échappement s'échappent alors à travers deux conduits latéraux dans le carter de la turbine de puissance. Les turbines sont montées à l'intérieur de la chambre de combustion, réduisant ainsi la longueur totale.
Dans la plupart des installations aéronautiques, le PT6 est monté en arrière dans la nacelle, de sorte que le côté admission du moteur fait face à l'arrière de l'avion. Cela place la section de puissance à l'avant de la nacelle, où elle peut entraîner l'hélice directement sans avoir besoin d'un arbre de transmission long. L'air d'admission arrive généralement au moteur par un conduit monté en dessous et les deux sorties d'échappement sont dirigées vers l'arrière. Cette disposition facilite la maintenance en permettant d'enlever toute la section de puissance avec l'hélice, exposant ainsi la section du générateur de gaz. Pour faciliter les opérations en terrain inégal (non lisse, éventuellement avec des gravillons), les objets étrangers sont détournés de l'admission du compresseur par des séparateurs inertiels dans l'entrée [11].
Historique opérationnel
À l'occasion du 40e anniversaire de son vol inaugural en 2001, plus de 36 000 PT6A avaient été livrés, sans compter les autres versions dérivées [12]. Jusqu'en , 31 606 moteurs livrés ont volé plus de 252 millions d'heures [13]. Jusqu'en , 51 000 ont été produits [14]. En tout cette famille de moteurs a enregistré 400 millions d'heures de vol de 1963 à 2016 [5].
La famille PT6 est connue pour sa fiabilité avec un taux d'arrêt en vol de 1 pour 333 333 heures jusqu'en [13] 1 pour 127 560 heures en 2005 au Canada [15], 1 pour 333 000 heures de 1963 à 2016 [5], 1 pour 651 126 heures sur 12 mois en 2016 [16]. Le temps entre les révisions se situe entre 3600 et 9000 heures et les inspections de la section chaude entre 1800 et 2000 heures [17].
En l'absence de FADEC, l'accélérateur automatique peut être installée comme une mise à niveau du marché secondaire avec un actionneur, initialement dans un avion monomoteur comme un PC-12 et éventuellement dans un avion bi-turbopropulsé [18].
Variantes
La principale variante, la PT6A, est disponible dans une grande variété de modèles, couvrant une gamme de puissance de 580 à 920 ch dans la série d'origine, et jusqu'à 1 940 ch (1 450 kW) dans les «grandes» lignes. Les PT6B et PT6C sont des variantes de turbomoteurs pour hélicoptères. Dans l'utilisation militaire américaine, ils sont désignés T74 ou T101.
Plusieurs autres versions du PT6 sont apparues au fil du temps :
le Large PT6 reçoit un autre étage de turbine de puissance avec une réduction plus importante en sortie, produisant presque le double de la puissance, entre 1 090 et 1 920 ch (1 430 kW);
le PT6B est un modèle de turbomoteur d'hélicoptère, doté d'une boîte de vitesses à réduction avec un embrayage à roue libre et un régulateur de turbine de puissance, produisant 1 000 sch (750 kW) à 4 500 tr/min;
le PT6C est un modèle pour hélicoptère, avec un seul échappement latéral, produisant 2 000 ch (1 500 kW) à 30 000 tr/min, monté avec une boîte de vitesses fournie par l'utilisateur;
le PT6T Twin-Pac se compose de deux moteurs PT6 entraînant une boîte de réduction à sortie commune, produisant près de 2 000 sch (1 500 kW) à 6 000 tr/min;
le ST6 est une version destinée aux applications stationnaires, développée à l'origine pour le Train Turbo, et maintenant largement utilisée comme unité auxiliaire de puissance sur de gros avions, ainsi que pour de nombreuses autres utilisations [19].
Turbopropulseur PT6A
Quelques chiffres
Le turbopropulseur PT6A est décliné en plus de 65 modèles, allant de 500 à 2 000 ch sur l'arbre et a été produit à plus de 47 000 exemplaires [1] entre les années 1960 et ; plus de 23 500 de ces moteurs sont toujours en service.
Technique
Le PT6A est un moteur à deux arbres concentriques, équipé d'un compresseur mécanique multi-étages (trois étages axiaux basse pression suivis par un étage centrifuge haute pression) qui est entraîné par une turbine mono-étage tournant à environ 45 000 tr/min. Une turbine motrice indépendante est reliée à l'hélice via un arbre tournant à environ 30 000 tr/min et entraînant un réducteur à train épicycloïdal à deux étages dont la vitesse de sortie va de 1 700 à 2 200 tr/min[1]. Sur la plupart des avions l'utilisant, le PT6A est monté axe de sortie vers l'avant pour réduire la longueur de l'arbre d'hélice. Cela place l'entrée d'air vers l'arrière du moteur. Elle est alimentée par un conduit d'air généralement sous celui-ci.
Performances
Les Manuels de Vol des avions utilisant des PT6A contiennent habituellement des tables et des graphes qui donnent les performances de l'avion donc des indications sur la performance du moteur PT6A utilisé.
Performances théoriques et rendement
L'efficacité énergétique d'un PT6A va donner une vision plus générale alors que les tables et les graphes d'un Manuel de Vol vont donner des informations plus spécifiques.
Dans le cas d'un moteur, l'efficacité (notée - lettre grecque éta) sera fonction des conditions d'utilisation, et on a :
où est la quantité utile de travail produite par le système (en joules), et "Énergie" est la quantité d'énergie (aussi en joules) utilisée pour faire fonctionner le système. On obtiendra le même résultat en faisant le rapport des puissances correspondantes.
Dans le cas d'un turbopropulseur, il sera plus pratique de considérer la relation entre la puissance fournie et le débit de carburant ("Fuel Flow", "FF"), valeurs que l'on retrouve habituellement dans les Manuels de Vol. Si la puissance n'y apparait pas explicitement, il suffit de se rappeler qu'avec des unités appropriées, la puissance est le produit du couple ("Torque") par la vitesse de rotation ("RPM") et que dès que l'on considère des rapports entre puissances (ou des pourcentages), les unités n'ont plus d'influence.
Pour analyser les performances d'une machine thermique, il est habituel d'utiliser un diagramme de Clapeyron où l'on représente à la fois la Pression ("P") et le Volume ("V"). Le fonctionnement d'un moteur thermique simple (modélisé avec une "source froide" et une "source chaude") peut être décrit avec un Cycle de Carnot. Dans ce cas, les équations de la thermodynamique permettent de définir la valeur maximum de l'efficacité :
elle dépend "uniquement" du rapport des températures (exprimées en degrés Kelvin) de la "source froide" (Tf) et de la "source chaude" (Tc). Plus Tc est élevée, plus l'efficacité sera bonne.
Le Cycle de Brayton [20] a été utilisé pour modéliser des turbines. Les calculs effectués dans ce contexte donnent des résultats comparables à ceux obtenus à partir d'un Cycle de Carnot. Le cas d'un moteur PT6A est toutefois plus complexe que celui d'un turboréacteur à simple flux, puisque le PT6A est composé d'une part d'un générateur de gaz et d'autre part d'une turbine de puissance qui récupère les gaz à la température donnée par l'ITT ("Interstage Turbine Temperature"), qui les détend puis les rejette dans l'atmosphère (produisant le cas échéant une poussée résiduelle qui, dans le cas d'un PT6A-42, peut être de l'ordre de 600 lbs).
Observations et implications
Dans les PT6A le capteur de température le plus proche de la chambre de combustion est habituellement celui qui indique l'ITT [21]. Entre la chambre de combustion (à la température Tc) et l'espace inter-turbines il y a la turbine du compresseur [22]. Les gaz chauds (à la température "ITT") traversent, ensuite, la turbine de puissance (reliée à l'hélice par le réducteur) avant d'être rejetés dans l'atmosphère, ce qui donne la poussée résiduelle.
Avec une consommation de carburant donnée, la puissance obtenue va donc dépendre très significativement des températures, donc, en particulier de l'ITT. En vol, les meilleures performances vont donc être obtenues dans le cas de la "Maximum Cruise Power" qui correspond à une ITT très élevée (et qui est définie, par exemple, dans le Manuel de vol du BE 90 F, un avion qui est normalement équipé d'un PT6A-135).
Dans le cas du BE 90 F (donc d'un PT6A-135), les données dans le Manuel de Vol mettent en évidence une diminution de l'efficacité de l'ordre de 5% dans le cas de la croisière "économique" ("Maximum Range Power" [23]) : en effet, dans ces conditions de vol, l’ITT est plus basse que dans le cas d’un vol à la "Maximum Cruise Power".
Si la puissance (et la vitesse) nécessaire pour un vol est inférieure à celle qui correspond à la Maximum Range Power [24], par exemple, pour rentrer dans un "circuit d'attente" [25], l'ITT sera encore plus faible et, avec elle, l'efficacité. Il en est de même, si le contrôle demande à ce que la vitesse de l'avion soit réduite (ou, tout simplement pour respecter la limite de vitesse de 250 kts, imposée dans certains espaces aériens).
Du coup, avec une efficacité réduite, dans un cas extrême, il est possible qu'il n'y ait plus assez de carburant à bord pour arriver à destination - dans ces conditions là - alors qu'il y en aurait eu assez pour arriver à destination dans les conditions de la "Maximum Range Power" (mais avec la vitesse correspondante).
Cette diminution de l'efficacité du moteur lorsque l'on diminue la puissance fournie n'est pas habituelle avec les avions ayant des moteurs à pistons (et des profils d'ailes habituels) [26] avec lesquels on peut espérer pouvoir augmenter la distance franchissable, en réduisant la puissance et donc la vitesse (tout en gardant une vitesse supérieure à la "vitesse de finesse maximum", pour éviter des effets contre-productifs).
Au sol (à l'arrêt ou au roulage), la puissance nécessaire est très faible, l'ITT le sera aussi et à son tour l'efficacité : ceci explique pourquoi l'on observe des FF importants. Par exemple, avec un PT6A-135, il y a des conditions de vol (en altitude) où la consommation de carburant est à peine le double de la consommation observée au sol, par exemple, au point d'attente.
Il faut donc se méfier des attentes longues : une demi-heure d'attente pouvant réduire l'autonomie d'un quart d'heure de vol. Ce n'est pas du tout le cas des moteurs à piston.
Au décollage ou à la remise des gaz, les turboréacteurs et les turbopropulseurs ont la réputation d’être « mous ». C’est, sans doute dû – en partie, mais en partie seulement – à l’inertie du système ; en effet l’inertie de l’hélice d’un turboprop (par exemple d'un PA 31 T, un avion qui utilise un PT6A-28) ne doit pas être bien différente de celle d’une hélice comparable montée sur un avion à pistons (par exemple un PA 31). Il y a un autre facteur à prendre en compte : avant le décollage ou la remise de gaz, la puissance est faible, l’ITT et l’efficacité aussi ; il faut donc que l’ITT et l’efficacité aient le temps d’augmenter pour que le moteur puisse atteindre la puissance requise.
Le même Manuel de Vol montre qu'entre les niveaux de vol ("FL") 80 et 260, la consommation nécessaire pour franchir 1 km décroit d'un facteur 1,6 ; donc, on a intérêt à voler haut ; mais la meilleure vitesse est obtenue entre les FL 100 et 150 (en fonction de la température du jour).
Le choix du niveau de vol pour la croisière avec une PT6A doit donc se faire avec beaucoup de doigté !
Gamme
Le PT6A se décline en 3 grandes gammes étagées en fonction de la puissance. Ces niveaux de puissances sont obtenus par augmentation du débit d'air dans le compresseur, ainsi que par augmentation du nombre d'étages au sein de la turbine motrice.
Puissances et encombrement de chacune des gammes [27]
T74 : Désignation militaire américaine pour le PT6A-20/27, utilisée sur le Beechcraft U-21 Ute.
T101 : Désignation militaire américaine pour le T101-CP-100 / PT6A-45R, utilisée dans les Short 330 et Short C-23 Sherpa.
PT6B-9 : turboréacteur à turbine de 550 ch (404,5 kW) destiné aux hélicoptères. Une évolution postérieure du PT6B est évaluée à 981 ch (721,5 kW).
PT6C : moteur de 1600 à 2300 ch (1190 à 1 720 kW) pour les hélicoptères et les tiltrotors.
PT6D-114A : basé sur le PT6A-114A. La principale différence est la suppression de l'engrenage réducteur et de l'arbre de sortie du deuxième étage, car le moteur est destiné à être intégré à une boîte de vitesses combinée comprenant des régulateurs de turbine de puissance et un arbre de sortie d'hélice.
Soloy Dual Pac : 2 moteurs PT6D-114A entraînant une seule hélice par l'intermédiaire d'une boîte de vitesses combinée, capable de fonctionner indépendamment.
PT6T : Unités Twin PT6 combinant les sorties à travers une boîte de vitesses pour une utilisation dans les hélicoptères.
ST6 : variante du PT6 développé à l'origine comme groupe motopropulseur pour les trains électriques Train Turbo UAC, mais plus tard utilisé comme générateur d'énergie stationnaire et unité d'alimentation auxiliaire.
STN 6/76 : version de 500 ch (370 kW) du PT6 développé pour être utilisé dans le Lotus 56, qui couru les 500 miles d'Indianapolis en 1968 et plus tard en 1971 en Formule 1[35],[36].
Il est aussi utilisé par l'armée américaine sous la dénomination T-74 [37].
Les turbomoteurs
Les PT6B, PT6C et PT6T sont des turbomoteurs destinés aux hélicoptères, chacun propose son lot de technologie intéressante.
Le PT6B est une variante directe du PT6A. Il est destiné aux hélicoptères monomoteurs et bimoteurs [2].
Le PT6C est la variante la plus récente des PT6. Il est destiné aux hélicoptères de taille moyenne [2].
Le PT6T est le résultat du couplage de deux PT6A. Il est destiné aux hélicoptères intermédiaires [38].
Le PT6T
Le PT6T, aussi appelé Twin-Pac est l'assemblage de deux PT6A montés en parallèle. Ceux-ci sont couplés par un réducteur commun, mais étant équipés d'un embrayage, l'utilisation d'un seul moteur est possible. La puissance sur l'arbre de sortie du réducteur va de 1 800 à 2 000 ch [38].
↑(en) Guy Norris, « PWC Opens Up On New PT6 Growth Engine » [« PWC ouvre sur un nouveau moteur de croissance PT6 »], sur Aviation Week Network, (consulté le ).
↑ a et b(en) MICHAEL GERZANICS, « FLIGHT TEST: Pilatus PC-12 - Power of one », Flightglobal.com, (lire en ligne, consulté le )
↑(en) Alwyn Scott (dir.), « GE, Textron team up to make new turboprop engine, aircraft », Reuters, Reuters, mon nov 16 14:52:58 utc 2015 (lire en ligne, consulté le )
↑Les puissances sont des valeurs approximatives au décollage. Disponibles au niveau de la mer, pour une journée standard, dans des conditions statiques, moteur non installé. Exclut la poussée des gaz d'échappement
↑ abc et dLes dimensions sont des valeurs approximatives. Elles sont ici données en pouces