Conception des compresseurs axiaux pour propulsionaxiaux pour propulsion

aéronautiqueHuu Duc Vo

Département de génie mécaniqueS ti é th iSection aérothermique

Séminaire d’introduction de MEC4245 Conception et fabrication d’un banc d’essai deConception et fabrication d un banc d essai de

compresseur aéronautique

2 septembre, 2011

1

p

RésuméRésumé• Turbine à gaz• Turbines à gaz en aéronautique• Types de compresseurs• Fonctionnement d’un compresseur axial• Conception d’un compresseur axial multi-étage

– Sélection du point de design– Conception de ligne moyenne– Opération hors-design– Design 3-D– Autres considérations

Si l ti é i (CFD)– Simulations numériques (CFD)– Prototypage et développement

• Défis futurs

2

Turbine à gazcarburant

chambre de combustion

wnet

compresseur

Ai

turbine

Ai t d it

1 23

4

compresseur turbinechambre de b ti

Modélisation par cycle de Brayton

Air Air et produits de combustion

p turbinecombustion

Rapports de pression t i dtypiques des turbines à gaz

3

Rapport de pression, rp

Turbines à gaz en aéronautique

turboréacteur

turbosoufflante

4

turbopropulseur

turbomoteur

5

Critères de sélection par application

Poussée (F) :

ininvm système de propulsion

poussée F

outoutvm )( incarburantincarburantinout mmmmmmm

)( inout

ininoutout

vvmFvmvmF

22 2donc)(1 airWmvvmW

Poussée (F) :

volume de contrôle 22 donc )(2

inout

airinoutair vv

mvvmW

inout

airinout vv

WvvmF

2)(

out

inout

FW

mvF

vv

iêiii)

ou/et si ii)

i)

inout

Efficacité propulsive (p) :air

in

inout

air

air

avion

air

avionp W

vvv

WWvF

WW

2

2

outair vFW si :mêmepour iii)

inout

inp vv

v

2 outp v si iv)

avion supersonique: turboréacteur ou turbosoufflante àélevéedoncélevée vvavion supersonique: turboréacteur ou turbosoufflante à très bas taux de dilution

avion subsonique (haute vitesse): turbosoufflante à haut taux de dilution

i b i (b it ) t b l

élevée donc élevée outin vv

, mvout

hèbè

6

avion subsonique (basse vitesse): turbopropulseurhaut très ,bastrès mvout

Types de compresseurs2) Compresseur centrifuge1) Compresseur axial

Avantages: Avantages:- aire frontale réduite - taux de pression élevé par étage- rotor plus léger et moins stressé - plus résistant aux instabilités aérodynamiquesoto p us ége et o s st essé p us és sta t au stab tés aé ody a ques- rendement par étage élevé

Désavantages: Désavantages: - taux de pression par étage petit - aire frontale élevée- plus susceptibles aux instabilités aérodynamiques - rotor lourd et plus stressé

7

p p y q p- rendement relativement faible

Fonctionnement d’un compresseur axial

UVx

Vrel2suppositions (simplification): • rayons constants• incompressible

V2 >V1

Arel2> Arel1

U=rVrel1

A2

ROTOR

STATOR1 2 3

V3=Vx

V1=Vx

ROTOR

Arel1 Arel2 > Arel1diffuseur

A3 >A2

Arel1 +V1 V2 A2 A3 >A2diffuseur

accélérateur d’écoulement

8

Conception d’un compresseur axial multi-étage1) Sélection du point de design

Analyse de cycle pour sélectionner deux points importants:point de design (point de croisière)- point de design (point de croisière)

- point de puissance maximale (décollage)

2) Conception à la ligne moyenne2) Conception à la ligne moyenne

Design 1-D du compresseur

R1 S1 R2 S2 R3 S3 R4 S4

ligne moyenneveine gazeuse

R1

9

2) Conception à la ligne moyenne (suite)

Utilité: - permet de prédire la configuration la taille le poids et la performanceUtilité: - permet de prédire la configuration, la taille, le poids et la performance du/des compresseur(s) et par extension du moteur pour ainsi répondre aux appels d’offres de l’avionneur.

- établir la performance référence pour chaque rangée d’aube

On peut prédire:

- la forme de la veine gazeuse- le nombre d’étages et d’aubes par rotor et statorle nombre d étages et d aubes par rotor et stator- la corde et la hauteur des aubes- la carte du compresseur (qui peut être utilisée avec celle de la turbine dans une

analyse de cycle pour prédire la performance du moteur i t d d i t h d i )au point de design et hors-design)

taux de pression

ligne d’instabilités aérodynamiques ligne de

fonctionnementtaux de

pression

compresseurpoint de design

vitesseconstante

décrochage

pressiony q

vitesse=constante

fonctionnement(déterminée par

turbine)

pression

étranglement

PTlignes de rendement constant

10

débit débit max. à Mach 1m

2) Conception à la ligne moyenne (suite)

Comment:onde de choc (pertes)

Comment:- triangles de vitesse- corrélations de déviation- corrélations de pertes de pression totale en fonction de:

s

déviation

Bergner et al. (2006)

p p• vitesse d’entrée• incidence• taux de diffusion

cincidence

• facteur de plénitude (c/s)• effets 3-D (couches limites carter/moyeu, jeu d’aubes)

jeu d’aube carter du compresse r

ROTOR STATOR

compresseur

vitesse du rotor jeu d’aube

ROTOR

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- corrélations pour prédire la ligne d’instabilités aérodynamiques (détails plus loin)

2) Conception à la ligne moyenne (suite)

Avec une conception de la ligne moyenne (compresseurs/soufflante turbines) onAvec une conception de la ligne moyenne (compresseurs/soufflante, turbines) , on peut déjà faire un plan d’ensemble du moteur.

12

3) Opération hors-design

S3 R4 S4

veine gazeuse dimensionné pour point de design

ligne de

R1 S1 R2 S2 R3 S3 R4 S4

- - - point de design___ vitesse du rotor (U) réduite

taux de pression

point de design

ligned’étranglement

décrochage(instabilité)

Pression moins grande:densité trop faible, vitessetrop grande aux étages arrières: étranglement

U m Adébit

compresseur inopérable:On ne peut donc même pas

d i t d

Si on réduit le débit pour supprimer l’étranglement à l’arrière, on hausse l’incidenceà l’avant: décrochage

se rendre au point de design à partir du démarrage

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à l avant: décrochage

3) Opération hors-design (suite)

Un ou deux dispositifs additionnels sont nécessaires pour faire fonctionner le compresseur hors-design: vanne de prélèvement d’air

stator à angle variable

R1 S1 R2 S2 R3 S3 R4 S4

aube directrice d’entrée(IGV)

vanne de prélèvement d’air:permet de réduire la vitesse à l’arrière pour supprimer

hors-design:- - - sans dispositf___ avec dispositif

à l arrière pour supprimer l’étranglement

b di t i d’ t éaube directrice d’entréeet/ou stator angle variable:réduire l’incidence des étages à l’avant pour empêcher ledécrochage

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4) Design 3-D

Pt, P,Tt,T en 3-Dmoyennée dans l d di ti

=Pt, P,Tt,T établie en 1-Dpar la conception à la li

Méthodes généralement utilisées:

les deux directions ligne moyenne

Méthodes généralement utilisées:

i) ‘Free Vortex’: travail du rotor sur le fluide est constant avec le rayon

( ) ( )W t

2 2 1 1 2 2 1 1 _( ) . ( )ligne moyenner v rv const r v rvm

.constmi

livrvrvrvr 11221122 )()(

ii) Distribution radiale choisie

moyennelignevrvrvrvr _11221122 )()(

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)

5) Autres considérationsa) Déformation des aubes sous effet centrifugea) Déformation des aubes sous effet centrifuge

au reposen rotation

Il faut donc usiner les aubes d’une forme différente au repos pour donner la forme voulue au point de design

b) Vibrations: éviter que l’aube entre en résonance à la fréquence des sources de vibrations

i) ib ti hi) vibrations synchrones:rotor

sillages effets

direction d’influence

stator

sillages effets potentielles

ii) vibrations asynchrones:

- flottement (flutter): vibrations aéroélastiques- vibrations acoustiques (difficile à prédire)

ill ti d l’é l t d j d’ b (i li é)

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- oscillations de l’écoulement de jeu d’aube (inexpliqué)

6) Simulations numériques (CFD)A t t d é ifi t ti i d i 3 D t l t t- Avantage: permet de vérifier et optimiser un design 3-D avant le prototypage

(peut simuler les effets 3-D: couches limites moyeu/carter, jeux d’aubes,…)

Désavantages: i) CFD bon pour les tendances pas pour la précision- Désavantages: i) CFD bon pour les tendances, pas pour la précision

- la grande majorité des codes CFD sont basés sur une ‘approximation’ de l’équation de l’écoulement (Navier-Stokes)en fonction d’une vitesse moyennée dans le temps, pour éviter la nécessité d’avoir des mailles extrêmement fine pour capter lanécessité d avoir des mailles extrêmement fine pour capter la turbulence dans les couche limites et sillages

couche limite laminaire turbulente

'V vprofil de vitesse

V'V v

vitesse moyenné dans le temps

bord d’attaque

Modélisé par une viscosité turbulente dépendente du champs d’écoulement:dèl dé i é à ti d’é l t i l f t d’ j t t

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modèles dérivé à partir d’écoulement simples, avec facteurs d’ajustement nécessitant la calibration avec des tests

6) Simulations numériques (CFD) (suite)

ii) Périodicité et effets des rangées d’aubes adjacentsii) Périodicité et effets des rangées d aubes adjacents

ROTORn STATORn

2S R

Rn

périodicité:même écoulement

On ne peut pas simuler une aube par rangée.

On doit simuler 2/K où K est le plus grand facteur

2Rn N

,Sn Rn

aubes SnN K est le plus grand facteur

commun entre les nombres d’aubes de toutes les rangées (si K=1: toute la circomférence)

↓Impraticable en terme de ressources et de temps

SOLUTIONOn moyenne circonférentiellement les conditions de sortie du domaine De simulation en amont pour servir

,aubes RnN de ressources et de tempsde conditions d’entrée du domaine de simulation en aval.

Question:Est-ce que ce type d’interface (moyennée circonférentiellement)

peut reproduire précisément sur une moyenne temporelle les effets potentielles et les effets des sillages des aubes adjacents?

iii) Ressources numériques et temps:- Obtenir une carte du compresseur en simulant de centaines de points

serait impraticable en terme de ressources et de temps

potentielles et les effets des sillages des aubes adjacents?

- Pour les conditions d’opération où la périodicité ne s’applique plus (exemple: près du point d’instabilité) il faudrait simuler toute la circonférence (impraticable en terme de ressource et de temps)

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Conclusion: À court et moyen terme, des tests sur des prototypes seront toujours requis

7) Prototypage et développement

Objectifs:

i) Régler les problèmes découlant des prédictions imprécises ou des phénomènes non prédites

exemples: ligne d’instabilités aérodynamiques trop basexemples: - ligne d instabilités aérodynamiques trop bas

ligne d’instabilités aérodynamiques

taux de pression

compresseurPoint de design

ligne de fonctionnement quasi-statiquey q

vitesse=constante

pression g q q

ligne de fonctionnement avec accélération du moteur

- taux de pression ou rendement insuffisants- vibrations

débit

ii) S’assurer que le compresseur et moteur répondent aux exigences de performances et normes de sécurité (ingestion d’oiseaux, pertes d’aubes, …)

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7) Prototypage et développement (suite)Types de tests: (pour mesurer la performance du compresseur)Types de tests: (pour mesurer la performance du compresseur)

i) Tests de moteur: ne peut mesurer que la performance le long de la ligne de fonctionnement du compresseur

taux de pression ligne de fonctionnement

vitesse=constante

pression ligne de fonctionnement

Pour obtenir la carte du compresseur, il faudrait pouvoir varier le débit en gardant la vitesse constante, avec des tests sur:

débit

ii) Générateur de gaz (noyau du moteur) valve générateur de gaz

iii) Banc d’essai de compresseurvalve

moteur électrique

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1) Prédiction et suppression des instabilités aérodynamiquesDéfis futurs

décrochage tournant pompageligne d’instabilités aérodynamiques

taux de

- Perte soudaine de puissance- Dommages au moteur

vitesse=constante

ligne de fonctionnement

taux de pression

lignes de rendement

marge de sécurité

débit

vitesse=constante constant

Note: En fait ces instabilités surviennent avant même l’incidence qui causerait le décrochage de la couche limite sur l’extrados

Pompage sur moteur de Airbus A330

21

Pompage sur moteur de Airbus A330

ligne d’instabilités aérodynamiques

ligne de fonctionnement

taux de pression marge de

sécurité carter du compresseur

A) Le jeu d’aube augmente soit due à l’usure ou au conditions de puissance maximale (décollage)due à la dilation inégale en le carter et l’aube

débit

vitesse=constante

compresseur

vitesse du rotorROTOR

Il faut laisser une marge de sécurité car cette ligne descend lorsque:

débit

ROTOR

B) Il y a distortion dans l’écoulement d’entrée

- manoeuvres

- entrée d’air courbée

22

Défi: - développer un système standard et fiable de prédiction des instabilitésaérodynamiques dans les compresseurs et soufflantes

- développer des technologies effectives de suppression

ex.1: Traitement de carter (à optimiser)

ex. 2: Micro-injection (à optimiser)

ex. 3: Actionnement plasmaactionneur plasma

ROTOR

carterécoulement

induitair

plasma

Impact: - diminution significative des coûts et délais de conception

électrodesisolant électrique

AC

23

g- augmentation de la performance du moteur

2) Optimisation automatisée des compresseurs et soufflantes

Geometrical model (CAD)

Aerodynamics (CFD) Stress (CSM) Vibrations (CSD)

OPTIMIZATION

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Défi: - développer des processus d’optimisation efficaces et rapides- intégration des outils de prédiction/analyse à l’optimiseurintégration des outils de prédiction/analyse à l optimiseur - validation expérimentale des outils et du processus

Impact: - diminution significative des coûts et délais de conceptiont ti d l f d t- augmentation de la performance des moteurs

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