Etude aérodynamique de ventilateurs axiaux réversibles à performance duale compresseur/turbine élevée

Aerodynamic study of reversible axial fans with high compressor/turbine dual performance

• Auteur / Autrice : Aurélie Ortolan
• Direction : Nicolas Binder, Xavier Carbonneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 19/10/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion
• Jury : Président / Présidente : Gérard Bois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Challas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rob Miller, Joerg Seume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Ventilateurs

Mots clés libres

Autorotation

Ventilateurs axiaux

Décollements

Incidences négatives

Fonctionnement dual

Windmill

Axial fans

Separations

Negative incidences

Dual functioning

Résumé

Dans le contexte des avions plus électriques, le potentiel de récupération d'énergie de ventilateurs de refroidissement embarqués est étudié. Ces compresseurs conventionnels, utilisés uniquement au sol, fonctionnent en autorotation libre en vol. Dans cette dernière configuration, appliquer un couple donné sur l'arbre permet de récupérer de l'énergie électrique, le ventilateur fonctionne alors en autorotation chargée (mode turbine). Cependant, ces géométries conventionnelles obtiennent de faibles rendements turbine, causés par des incidences fortement négatives conduisant à des décollements massifs. Il est alors nécessaire de concevoir une machine axiale réversible capable de fonctionner de manière duale en mode compresseur et turbine, avec une performance élevée dans les deux cas. Ce nouveau concept permet de capitaliser l’équipement tout au long de la mission. Dans cette étude, l'adéquation de l'approche quatre-quadrants et du formalisme psi-phi à propos du mode dual de turbomachines est soulignée, au détriment des représentations classiques séparant les performances compresseur et turbine. Une analyse du fonctionnement du mode compresseur à l'autorotation chargée a permis de mettre en évidence les propriétés génériques des écoulements d'autorotation ainsi que ce qui fait la spécificité des machines duales. Les mécanismes de l’écoulement et les paramètres géométriques impactant la performance le long de la ligne de fonctionnement ont également été identifiés. Le concept de machine duale est validé grâce aux grands rendements obtenus en essais. Enfin, une géométrie optimisée est proposée et des recommandations liées au design de machines duales sont données.

In the more electric aircrafts context, the in-flight windmilling operation of conventional onboard axial fans is regarded as a functioning mode that enables energy recovery. Poor turbine efficiencies of classical geometries, due to massive separations, require to design a reversible machine. The latter allows a dual compressor/turbine functioning with high performances in both modes to capitalize the equipment throughout the mission. In this study, the relevance of psi-phi formalism to multi-quadrant approach is underlined. The flow analysis from compressor to load-controlled windmill enables to highlight generic properties of windmilling flows as well as dual machines specificities. The flow mechanisms and geometrical parameters impacting the performances along the operating line are also identified. Finally, an optimized dual machine design is proposed.