CARACTERISATIONS DU TRANSFERT DE CHALEUR PAR CONVECTION A LECHELLE MICROMETRIQUE: APPLICATION AU REFROIDISSEMENT DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES

Chapitre 2 Analyse dun cycle idal

1121.Introduction Comparaison entre un turboracteur et un MCI

But: Ejection des gaz a grande vitesseBut: a partir dun mouvement alternatif on obtient un mouvement rotatif231.Introduction Description dun engin gnral .Afin de simplifier notre tude, on schmatise un turboracteur gnral avec ses diffrents composants comme suit :

341.Introduction (a-1) Le passage de lair du milieu extrieur lentre de la prise dair (1-2)Le passage de lair dans le diffuseur jusqu' lentre du compresseur.(2-3)Le passage de lair dans le compresseur.(2-7) Le passage de lair travers la soufflante (fan)(3-4)La combustion air + carburant dans la chambre de combustion.(4-5)Le passage des gaz bruls dans la turbine.(5-8)Ljection des gaz bruls vers le milieu extrieur par la tuyre.(7-9)La sortie du flux secondaire dair qui traverse le fan au milieu extrieur.(5-5.5)Mlangeur . (7-7.5) Conduit by-pass(5.5-6) Post-combustion

451.Introduction Cycle idal:Pas de perte dans tous les composants.Toutes les transformations sont isentropique et adiabatique.Cp , Cv et constants a travers lengin Tuyre adapte: P sortie = P ambiante Dbit fuel nglig.Pas de perte mcanique sur laxe.Combustion P statique = P Totale (vitesses ngligeables). 562.Composants 2-1 Le diffuseur: - Le diffuseur est un conduit section variable calcul de telle sorte quil ralentisse lcoulement relatif de lair.

Diffuseur 672.Composants Lcoulement est isentropique .On calcule la temprature et la pression respectivement par :Dpres le premier principe de la thermodynamique et pour un gaz parfait nous avons ht1=hta

Dans ce cas l on obtient aussi: Tt1=Tta

Puisque lcoulement est isentropique:Ptot1=Ptot2

Pour le calcul des diffrentes tempratures et pressions on appliquera dsormais la relation:

782.Composants On a aussi pour les coulements isentropiques :

Et de la relation prcdente on tire:

Puisque le diffuseur est adiabatique: Tt1=Tt2

Aussi lcoulement est isentropique: Pt1=Pt2

Donc pour un diffuseur idal:

892.Composants Et de mme en fonction des pressions totales:

Diagramme h-S dun diffuseur idal 910Compresseur axial 2.Composants Il sert aspirer et comprimer l'air du milieu extrieur afin de le diriger vers la chambre de combustion aprs avoir augment la temprature de l'air due la compression.2-2 Le compresseurCompresseur radial Le compresseur est coupl la turbine Il existe 02 types de compresseurs: 1011Compresseur radial Stator -rotor

2.Composants Le compresseur radial a simple ou deux tages utilise une roue aubes pour acclrer l'air et un diffuseur pour produire lvation requise de la pression. 1112

2.Composants Compresseur radial 1213

Compresseur axial A un ou plusieurs tages constitus de rotor et stator pour acclrer et rpandre l'air jusqu' l'lvation requise de la pression .2.Composants 1314

2.Composants Compresseur axial 1415Avantages et inconvnients des 02 types 2.Composants Le compresseur radial est habituellement plus robuste que le compresseur axial et il est galement plus facile a usiner.

Le compresseur axial cependant consomme bien plus d'air que le compresseur radial pour une mme section dentre. Aussi on obtient avec des rapports des pressions beaucoup plus levs.

Puisque le dbit d'air est un facteur important dans lexpression de la pousse, ceci signifie quun engin compresseur axial donnera une pousss plus leve (pour une mme section dentre).

La capacit d'augmenter le rapport des pressions par addition des tages supplmentaires a men l'adoption des compresseurs axiaux dans la plupart des conceptions de moteur. Cependant, le compresseur centrifuge est encore favoris pour de plus petits moteurs o sa simplicit et robustesse sont avantageux tous les autres inconvnients.15162.Composants tude nergtiqueet thermodynamique dun compresseur axial

Diagramme h-S dun compresseur 1617 Levolution du point (2) au point (3) dans le compresseur on a une augmentation de pression qui est dfinit par un coefficient appel taux de compression c qui scrit:

c=

Cette augmentation de pression est accompagne par une variation de temprature entre lentre et la sortie du compresseur . Le rapport de temprature c scrit:

Puisque lcoulement est isentropique dans un coulement idal on peut crire:

2.Composants 17182.Composants 2-3 la chambre de combustion La chambre de combustion est l'lment qui procure l'nergie au flux traversant le racteur, l'nergie chimique du combustible inject est transforme en nergie thermique. Diffrents types de chambres de combustions

II existe trois principaux types de chambres de combustion :18192.Composants a) Chambres spares ou multiplesDans ce modle de chambres, la combustion est assure par un nombre de 6 10 chambres disposes tout autour de l'axe du racteur. la conception des chambres spares ou tubulaires offre un important avantage de facilit de construction, de ce fait elles sont majoritairement utilises en aronautique en gnrale.

Chambre de combustion tubulaire19202.Composants

Chambre de combustion annulaireb) Chambres de combustion annulaire Contrairement aux chambres tubulaires, dans ce cas le dbit d'air du compresseur passe entirement travers une seule chambre o un nombre important d'injecteurs de combustible sont disposs de telles sorte assurer l'homognit d'un anneau de flamme.2021A l'exception de quelques difficults de mise au point lors des essais, les chambres de combustion annulaires se caractrisent particulirement par d'importants avantages ; savoir : Un encombrement minimum, Des pertes de charges trs faibles et un poids rduit. L'importante surface de contact entre l'air et le combustible favorise les ractions de combustion, la temprature de sortie est plus difficile contrl.

2.Composants c) Chambres mixtes Elles s'apparentent en mme temps aux deux types prcdents. Les chambres mixtes semblent allier un encombrement minimum une facilit de mise au point par lments partiels, seulement leur cot est important.La combustion peut commencer dans des chambres tubulaires et se poursuivie dans une chambre annulaire de faon s'homogniser avant l'arrive la turbine.21222.Composants Etude nergtique de la chambre de combustion

En appliquant le premier principe de la thermodynamique

2223

23242.Composants La variation de lenthalpie du fluide contient 02 contributions :1-le passage de lair travers le bruleur.

2- linjection du fuel dans le bruleur (la chambre de combustion)

Donc lenthalpie serait 2425

: Dbit fuel inject dans la chambre de combustion:Dbit dair primaire

ht4: Enthalpie totale a la sortie de la c-cht3: Enthalpie totale l'entre de la c-chtf: Enthalpie totale du fuel.H: pouvoir calorifique inferieur du fuel. .

Ngligeable2.Composants 25262.Composants

On dfinit le rapport du fuel pour un engin sans post-combustion comme suit: ( de lordre de 0,02 pour un engin idal)

Donc le dbit fuel est : 26272.Composants 2-4 La turbine La turbine est un organe conu pour entrainer le compresseur en prlevant une partie d'nergie au jet de gaz sortant de la chambre de combustion.2728Les gaz chaud haute pression se dtendent en transformant leur nergie de pression en nergie de vitesse.les aubages sont soumis des tempratures trs leves. Les tempratures des gaz, pouvant atteindre 2000C l'intrieur de la chambre de combustion. Fonctionnant de grande vitesse priphriques et des tempratures leve, la turbine est d'une tude dlicate tant au point de vue rsistances des matriaux que thermo-arodynamique.

Turbine axiale 2.Composants 28292.Composants principe dune Turbine actionprincipe dune turbine raction

Etage Toute la dtente lieu dans l'aubage fixeLe rle de l'aubage mobile est de transformer l'nergie cintique engendre par cette dtente en nergie mcanique disponible sur l'arbre. 29302.Composants tude nergtiquede la turbine

La temprature et la pression totale diminuent du fait que lnergie est dlivre par le fluide, on dfinit alors deux quantits:

Ecoulement isentropique a travers la turbine, on peut crire:30312.Composants 2-5 La tuyre

A la sortie du racteur on installe une tuyre djection plus ou moins longue, suivant la disposition du racteur sur lavion. La tuyre est une conduite coulement continu, transforme lnergie des gaz (pression, chaleur) en nergie cintique utile a la propulsion.31322.Composants tude nergtique de la tuyre

3233

La pression a la sortie est donne par la relation suivante:Tant que lcoulement dans la tuyre est isentropique on dduit que

Puisque

Pour le cas idal on suppose toujours que la tuyre est adapte ce qui veut dire que(P8=Pa)Pa: est la pression ambiante.

2.Composants Connaissant la pression totale lentre et la pression a la sortie on tire le nombre de Mach

En appliquant le 1 er Prncipe de la thermodynamique:33342.Composants 2-6 LaxeEquilibre Turbine Compresseur/Soufflante/Hlice

AXEDans touts les engins la puissance drive de la turbine est dlivre au compresseur et fan (hlice), l'axe est mont sur des paliers qui sont source des pertes mcanique. Cas idal frottements nuls

34353. Etude dun cycle 3-1 Le statoracteur

Schmas dun statoracteur

Diagramme h-s dun statoracteur idal Le statoracteur est un engin qui na pas dorganes tournant (absence de le turbine du compresseur et de laxe)Evolutionsa-1 -3 Compression isentropique 3-4 Combustion isobare4-8 Dtente isentropique Lgende a : condition ambiant 1:Entre diffuseur 3 Sortie diffuseur 4:sortie chambre de combustion 8:sortie tuyre35363. Etude dun cycle

Lobjectif est de dtermine la pousse dveloppe par le statoracteur. Notons que le dbit fuel est ngligeable (cycle idal)Donc la pousse est donne par:ua est une donne Pe = Pa (cycle idal Tuyre adapte)Dans notre cas ue = u8

Il reste a dterminer u8 pour tirer F36373. Etude dun cycle

Les pressions totales aux positions a et 8 sont:

On puisque la tuyre est adapte

Puisque lcoulement est isentropique a travers le diffuseur et la tuyre , et a pression constant dans la chambre de combustion on une P Totale = Cont

Donc

On obtient donc

Le nombre de Mach dans un statoracteur idal lentre est gale a celui obtenu la sortie mais pas les temprature statiques

37383. Etude dun cycle 38