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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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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