PW1000G, CFM Leap : la nouvelle génération de moteurs prend son envol

Premier vol du CSeries, motorisé par un Pratt & Whitney à réducteur, et premiers tours au banc du CFM Leap : ce mois de septembre signe l’arrivée de la nouvelle génération de moteurs. Plus économes, moins polluants et moins bruyants, ils mettent en œuvre des solutions technologiques très attendues puisqu’annoncées, pour certaines, il y a dix ans ou davantage.

En effectuant son premier vol le lundi 16 septembre 2013, le CSeries de Bombardier a étrenné le premier moteur de nouvelle génération pour les monocouloirs, le Pratt & Whitney PW1000G. Principale innovation : un réducteur permet de dissocier la soufflante du corps basse pression (BP). Le concurrent a franchi tout récemment une étape cruciale : le CFM Leap a effectué ses premiers tours au banc le 4 septembre. Son architecture est conventionnelle ; c’est plutôt le choix des matériaux qui est novateur.

Les objectifs sont assez similaires. En termes de consommation de carburant, les deux constructeurs parlent de 15 % d’économie sur l’Airbus A320neo. Pratt & Whitney va même jusqu’à 20 % sur le CSeries. Les rejets d’oxydes d’azote, les très polluants NOx, sont annoncés 50 à 55 % en dessous de la norme CAEP 6.

Les nouveaux moteurs seront aussi moins bruyants. Pratt & Whitney annonce 20 dB en dessous de la norme « chapitre 4 » de l’OACI. Le tandem GE-Snecma prévoit d’atteindre le niveau « chapitre 14 », une future norme qui devrait se situer 7 dB sous l’actuel « chapitre 4 ».

Pour parvenir à leurs fins, les deux motoristes ont choisi des voies différentes. Pratt & Whitney, en faisant tourner la soufflante et le corps BP à leurs régimes optimaux respectifs, en améliore les rendements. Le corps BP (compresseur et turbine) tourne plus vite. Au contraire, la soufflante tourne moins vite. Elle produit donc moins de bruit. La complexité se concentre dans le réducteur, qui doit être capable de transmettre de fortes puissances, avec un refroidissement adéquat pour le lubrifiant des engrenages.

En revanche, cette architecture permet de réduire le nombre d’étages. Ainsi, en aval du réducteur (G), on trouve un compresseur BP à trois étages, un compresseur haute pression (HP) à huit étages, une turbine HP à deux étages et une turbine BP à trois étages. Soit une configuration 1-G-3-8-2-3 : cinq étages de moins qu’un V2500 sur l’A320 actuel.

Par ailleurs, le motoriste nord-américain a repensé les circuits de refroidissement interne des aubes de turbine. Les nouveaux « micro-circuits » font circuler l’air de manière plus adaptée au profil de température de l’aube. Et prélèvent moins d’air sur le compresseur, d’où un meilleur rendement.

Le PW1000G est le fruit de la persévérance : Pratt & Whitney travaille sur le réducteur depuis longtemps. Un démonstrateur complet tournait déjà au banc en 2001. Il s’agissait notamment de convaincre les avionneurs et les compagnies que l’ajout d’un réducteur ne grève pas la fiabilité du moteur.

C’est un succès : le moteur a été sélectionné par cinq constructeurs. D’où des appellations différenciées dans la famille « PurePower ». Il s’agit du PW1500G (certifié en février) du CSeries, du PW1200G du Mitsubishi MRJ, du PW1400G de l’Irkut MC-21, du PW1100G-JM de l’Airbus A320neo et des PW1700G/PW1900G des Embraer E-Jets modernisés.

Chez CFM, on a exclu le réducteur mais néanmoins agrandi la soufflante afin d’accroître le rendement propulsif. On l’a donc ralentie : autrement, les extrémités d’aubes font trop de bruit. Du coup, la conception de la turbine BP, qui entraîne la soufflante et tourne à la même vitesse, doit compenser ce ralentissement. Elle passe à sept étages, contre quatre sur un CFM56-5B. La configuration du Leap, 1-3-10-2-7, comporte au total quatre étages de plus qu’un CFM56-5B. C’est une évolution opposée à celle du moteur concurrent.

Côté matériaux, les nouveautés sont spectaculaires. Les aubes de soufflante sont en fibre de carbone tissée en trois dimensions (lien http://www.aerobuzz.fr/spip.php?article3009) : plus légères, elles sont aussi deux fois moins nombreuses que sur l’ancienne génération. Dans la turbine HP, la virole du premier étage est en composites à matrice céramique, d’où une masse diminuée et une meilleure fiabilité en température. Plus en aval, dans la turbine BP, c’est un alliage de titane et d’aluminium (Pratt en utilise aussi) qui procure l’allègement. L’ensemble du Leap a bénéficié du dernier cri en matière de calcul aérodynamique en trois dimensions.

Le premier à avoir tourné au banc à Peebles, dans l’Ohio, est un Leap-1A, la version destiné à Airbus. La version -1C, celle du Comac C919, est identique, aux pièces de montage sur l’avion près. La version -1B, conçue pour le Boeing 737 Max, doit démarrer au banc en 2014.

Thierry Dubois