Modélisation hors adaptation des performances individuelles d'un doublet d'hélices contrarotatives

Individual performance modelization of contra rotating propellers in off-design conditions

• Auteur / Autrice : Matthieu Dubosc
• Direction : Serge Huberson, Nicolas Tantot, Grégory Delattre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance en 2016
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Azeddine Kourta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Huberson, Nicolas Tantot, Grégory Delattre, Jean-Paul Bonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Gerolymos, Xavier Carbonneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérodynamique

Avions -- Turbopropulseurs

Turbomachines

Avions

Hélices (aéronautique)

Mots clés libres

Cror

Performance

Doublet contrarotatif

Hélice

Interaction

Vitesses induites

Open rotor

Régulation

Cror

Performance

Contrarotating propellers

Propeller

Interaction

Induced velocities

Open rotor

Control system

Résumé

Dans le cadre du projet européen Clean Sky, Snecma construit un démonstrateur de Contra Rotating Open Rotor (CROR). La conception du système de régulation du moteur nécessite d'avoir connaissance du comportement aérodynamique de chacune des hélices du doublet. Les objectifs de cette thèse sont dans un premier temps de comprendre les interactions entre les différents éléments constitutifs d'un CROR ayant un effet sur les performances des hélices, d'isoler leurs contributions respectives et dans un deuxième temps de développer un modèle prédictif des performances individuelles des hélices d'un CROR intégrable dans un environnement de calcul de cycles thermodynamiques. Pour cela, le comportement des hélices en doublet est rapproché de celui d'hélices isolées dont les effets macroscopiques sont bien connus. Des calculs Euler et NS3D ont servi de base pour proposer un couplage entre les hélices isolées permettant de retrouver le champ de vitesses induits entre les hélices d'un calcul doublet. Pour respecter les exigences de rapidité d'exécution et de robustesse numérique imposées par l’environnement de calcul de cycles thermodynamiques, les performances individuelles des hélices du doublet sont calculées à partir de champs hélice isolée. Une approche monodimensionnelle permet de calculer les vitesses induites propres des hélices à partir de la traction et de la puissance absorbée et une méthode pour estimer les vitesses induites mutuelles à partir des vitesses induites propres est donnée. Le calcul des performances individuelles des hélices d'un doublet contrarotatif est itératif. Cette méthode estime les performances avec une erreur relative inférieure à 5%. Elle est utilisée dans le développement du système de régulation du démonstrateur CROR SAGE2.

Within the scope of the European research project Clean Sky, Snecma builds a ground demonstrator of the concept engine Contra Rotating Open Rotor (CROR). Engine control system design requires knowing how each propeller will behave aerodynamically under the interaction of each other. The aim of this work is to design a predictive model of contra rotating propeller individual performance fitting in a thermodynamic cycle calculation environment. A coupling is proposed in order to represent the dual propellers thanks to isolated propeller behavior. It has been shown that by matching the isolated propellers thrust and torque to the doublet values, the good values of mutual induced velocities can be found. Hence contra rotating propellers individual performance can be reached with a good variation in parameters. In addition to that, in order to meet with thermodynamic cycle calculation environment requirements of rapidity and numerical robustness, performance is calculated from pre-generated propeller maps. One-dimensional approach is used to calculate mutual induced velocities from propellers thrust and torque. Contra rotating propellers individual performance calculation is an iterative process. The method developed gives the performance within a 5% relative error margin and is currently used for the design of the ground demonstrator control system.