Pratt & Whitney Canada PT6

PT6
A PT6A-20 au Musée de l'aviation du Canada
Constructeur	Pratt & Whitney Canada
Premier vol	30 mai 1961
Caractéristiques
Type	Turbopropulseur (PT6A) Turbomoteur (PT6B,PT6C,PT6T)
Masse	102 kg
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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].

En 1956, la demande pour le moteur radial Wasp 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 février 1960 ^[3],[4]. Ce moteur vola pour la première fois le 30 mai 1961, monté sur un Beechcraft Model 18 De 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 tiltrotor AgustaWestland 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 octobre 2017, de nouveaux éléments sont en cours et un démonstrateur complet devrait être opérationnel d'ici la fin de l'année 2017 ^[9].

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.

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].

À l'occasion du 40^e anniversaire de son vol inaugural en 2001, plus de 36 000 PT6A avaient été livrés, sans compter les autres versions dérivées ^[12]. Jusqu'en octobre 2003, 31 606 moteurs livrés ont volé plus de 252 millions d'heures ^[13]. Jusqu'en novembre 2015, 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 octobre 2003 ^[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].

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].

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 juillet 2017; plus de 23 500 de ces moteurs sont toujours en service.

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.

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.

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 ${\displaystyle \eta }$ - lettre grecque éta) sera fonction des conditions d'utilisation, et on a :

${\displaystyle {\text{Efficacité}}=\eta ={W \over {\text{Énergie}}}}$

où ${\displaystyle W}$ 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 :

$${\displaystyle \eta \leq \ 1-{\frac {T_{f}}{T_{c}}}}$$

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).

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 !

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.

Attention : le "cheval-vapeur" (ch) français correspond approximativement à 735 Watt

alors que le "cheval-vapeur " britannique (hp) correspond, lui, à approximativement 746 Watt.

• 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.
• ST6B : version de 550 ch (410 kW) du PT6 développé pour la STP-Paxton Turbocar, lancé en 1967 pour les 500 miles d'Indianapolis ^[34].
• 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].

Le PT6A équipe, entre autres, en bi-turbine le Piaggio P180 Avanti (PT6A-66 et PT6A-66B sur le Avanti II), ainsi que la série de Beechcraft King Air et en mono-turbine les Pilatus PC-6, PC-7, PC-9, PC-12 et PC-21 ainsi que les Socata TBM-700 et 850, et certains modèles turbo-propulsés de chez Piper comme la série des Meridian.

Il est aussi utilisé par l'armée américaine sous la dénomination T-74 ^[37].

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, 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].

Il équipe les hélicoptères suivants :

• Bell 212
• Bell 412 et sa version militaire Bell CH-146 Griffon
• Sikorsky S-58

Le moteur est utilisé dans plus de 100 applications différentes :

PT6A

PT6B

• AgustaWestland AW119 Koala
• Changhe Z-8F
• Avicopter AC313
• Lockheed XH-51
• Sikorsky S-76B
• Westland Lynx 606

PT6C

• AgustaWestland AW139
• Bell/Agusta BA609
• UH-1 Global Eagle upgrade
• Eurocopter EC175/Avicopter Z-15

PT6D

• Soloy Pathfinder 21

PT6E

• Pilatus PC-12NGX
• TBM 960

ST6

• Train Turbo (United Aircraft Corporation)
• STP-Paxton Turbocar Indy racer

STN

• Lotus 56 USAC et Formule 1

Développement connexe

• Pratt & Whitney Canada PT6T

Moteurs comparables

• Walter_M601
• General Electric Catalyst

Liste moteurs d'avions

• Liste des moteurs d'avion

• Site officiel de Pratt & Whitney Canada, article sur le PT6A et ses déclinaisons
• Un article sur le PT6 par un particulier
• (en) Un article sur le PT6A-42 équipant certains Beechcraft King Air

v · m Moteurs Pratt & Whitney Canada
Turboréacteurs	JT15D PW300 PW500 PW600 PW800
Turbopropulseurs	PT6A PW100
Turbomoteurs	PT6T PT6B PT6C PW200
Groupes auxiliaires de puissance	PW900
Usines	Centre aéronautique de Mirabel

v · m Moteurs Pratt & Whitney
Moteurs en étoile	Par cylindrée : R-985 R-1340 R-1535 R-1690 R-1830 R-1860 R-2000 R-2060 R-2180 R-2270 R-2800 R-4360 Par nom : Double Wasp Hornet Twin Hornet/Twin Wasp E Twin Wasp (R-1830) Twin Wasp (R-2000) Twin Wasp Junior Wasp series Wasp Wasp Junior Wasp Major
Moteurs en H	X-1800 (XH-2600) XL-3130 (XH-3730)
Turboréacteurs	J42 J48 J52/JT8A J57/JT3C J58 J60/JT12 J75/JT4 J91
Turbofans	F100 F119 F135 F401 JT3D/TF33 JT8D/RM8 JT9D PW1000G PW1120 PW2000 PW4000 PW6000 TF30
Turboprops/Turboshafts	JFTD12/T73 T34 XT45 XT57
Turbines à gaz	GG3/FT3 GG4/FT4 FT8
Co-développement	Avco Lycoming/Pratt & Whitney : T800-APW (Turbofan) Engine Alliance : GP7200 (Turbofan) International Aero Engines : SuperFan (Turbofan), V2500 (Turbofan) Pratt and Whitney/Allison : 578-DX (Propfan)
Filiales	Pratt & Whitney Canada Pratt & Whitney Rocketdyne

v · m Moteurs des forces armées des États-Unis
Turboréacteurs	J30 J31 J32 J33 J34 J35 J36 J37 XJ38 (en) J39 J40 XJ41 (en) J42 J43 J44 J45 J46 J47 J48 XJ49 (en) J51 J52 J53 J54 J55 (en) J56 J57 J58 J59 J60 J61 J63 J65 J67 J69 J71 J73 J75 J79 J81 J83 J85 J87 J89 J91 YJ93 J95 J97 J99 J100 YJ101 J102 (en) J400 (en) J401 J402 (en) J403 J700 (en)
Turbopropulseurs et turbomoteurs	T30 T31 T33 T34 T35 T36 (en) T37 (en) T38 T39 T40 T41 T42 T43 T44 T45 T46 (en) T47 T48 T49 T50 T51 T52 T53 T54 T55 T56 T57 (en) T58 T60 (en) T61 (en) T62 T63 T64 T65 T66 T67 T68 T69 T70 T71 T72 T73 T74 T76 T78 T80 T100 T101 T400 T405 T406 T407 T408 T700 T701 T702 T703 T706 T708 LHTEC T800 APW T800 T900 T901 (en)
Turboréacteurs à double flux	TF30 TF31 TF32 TF33 TF34 TF35 TF37 TF39 TF41 F100 F101 F102 F103 F104 (en) F105 F106 F107 F108 F109 F110 F112 F113 F117 F118 F119 YF120 F121 F122 F124 F125 F126 F127 F128 F129 F130 F135 F136 F137 F138 F400 F401 F402 F404 F405 F408 (en) F412 F414 F415

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