Performances des turbocompresseurs aux basses vitesses...

Projet DIAMS 1

Mardi 23 mars 2010DELIGANT/PODEVIN

Performances des turbocompresseurs aux basses

vitesses de rotation

Approche analytiqueModélisation 2DPerspectives

Michaël DELIGANT : DoctorantPierre PODEVIN : Ingénieur de recherche CNAM

Chaire de Turbomachines et Moteurs à Combustion Interne

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DELIGANT/PODEVIN Mardi 23 mars 2010

Sommaire

• Contexte de l’étude• Détermination des performances turbo.• Paliers et butée• Expérimentations• Calculs des pertes mécaniques• Travaux futurs

�

Conférence Cnam-SIA

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Champ compresseur

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

100000120000

140000

160000180000

200000

qm (kg/s)

P2t

P1t

0.60

0.65

0.70

0.75

0.75

0.70

0.65

0.60

0.77

?

Contexte de l’étude

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Sur cycle urbain et extra-urbain Nturbo < 100000 RPM

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Historique

• Essais pour PSA (2001)– Banc d’essai spécial équipé d’un couplemètre– Influence température d’huile

• Essais interne Cnam (2004)– Influence température et pression d’huile

• Programme DIAMS (2007)– Financement ANR

– Collaboration : GIE PSA/Renault + Borg Warner

ECN Lyon, ECN Nantes, Cnam (EA21 / LGP2ES)+ collaboration Honeywell Turbo Technologies sur étude Cnam


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Sommaire


�


7


• Banc d’essai à chaud stationnaire– Banc d’essai standard : gaz stand– Turbine alimenté avec des gaz brûlés (ou air chaud) 500 à 650 °C

• Banc d’essai à froid stationnaire– Turbine alimenté avec de l’air comprimé

• Banc d’essai pulsé froid ou chaud– Simuler les conditions de fonctionnement moteur

• Banc d’essai moteur– Difficultés réalisation isovitesses– Caractéristiques dépendent du moteur : (lignes admission et échappement)– Circuits amont et aval turbomachines torturés

• Bancs d’essais spécifiques

Détermination des performances turbo.

Moyens d’essais

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dH dEc dEp Q Waδ δ+ + = +

( )m p iS iEP q c T T= −


Caractéristiques : débit, taux de compressionpuissance (rendement)

Application premier principe en écoulement permanent

Détermination puissance :

Gaz parfait et adiabatique

Performances turbocompresseur

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Hypothèse adiabatique acceptable :

- pour le compresseur à haut régimes sur banc froid et chaud

- pour la turbine à haut régimes sur banc froid

Hypothèse adiabatique discutable :

- pour le compresseur et la turbine à bas régimes sur banc froid et chaud

- pour la turbine à haut régimes sur banc chaud

on mesure la puissance compresseur et le produit : est donnécomp mécaη η⋅

Performances turbocompresseur

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Incertitudes� sur la mesure

de puissance

air arbre mecaP P P= −

arbreP


Puissance du compresseur aux basses vitesses de rotation

- Si la puissance fournie à l’arbre du compresseur est connue (couplemètre) :

- Si les pertes mécaniques sont connues :

- La puissance fournie au fluide est :

Il ne "reste " donc qu’à estimer les pertes mécaniques

mecaP

- Le fonctionnement ne peut plus être considéré adiabatique :Taux de compression faible � faible élévation de températureTransfert thermique non négligeable

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Sommaire


�


12


Paliers et butée

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Paliers et butée

Paliers

Guide l’arbre en rotation et amorti les vibrations

Paliers lisses Roulement à billes

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Paliers et butée

Butée

Équilibre les poussée axiales

Butée à patins inclinés

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Sommaire


�


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Expérimentations

Institut aérotechnique de Hanovre

Principe : Mesure par essais de décélération LRrotor MMdt

dJ +=ω

.

Moment résistant : frottements mécanique MR + frottements aérodynamique ML

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Expérimentations

Principe : Mesure par essais de décélération LRrotor MMdt

dJ +=ω

.

Institut aérotechnique de Hanovre

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Institut aérotechnique de Stuttgart

Expérimentations

Principe : Mesure directe par couplemètre

Test du système palier + butée N = 100000 rpm (possibilité 180000 rpm)Précision 0,001 N.m

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Expérimentations


Possibilité de contrôler l’effort axial

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Expérimentations



21


Expérimentations

Principe : Banc adiabatique

Honeywell Turbo Technologies

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Expérimentations

Honeywell Turbo Technologies

Roue sans aubesWcompresseur ~ 0

Principe : Banc adiabatique

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Mesures :

• Couple et vitesse turbo

• Débit massique air turbine et compresseur

• Débit massique huile• Températures caractéristiques turbo.

• Températures huile + palier

• Pressions caractéristiques turbo.

Expérimentations

Cnam – Chaire de TurbomachinesPrincipe : Mesure par couplemètre

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Expérimentations

- Couplemètre : N = 30000 à 120000 tr/min : Cmax=0,4 N.m +/- 0,0016 N.m- Centrale lubrification : Phuile : 0.5 à 4 bar, Thuile : 20 à 120°C- Vannes pilotées en amont turbine et en aval compresseur


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Expérimentations

-Carte d’acquisition National InstrumentUSB - 32 entrées

- Logiciel acquisition LabviewTraitement entrées

Sauvegarde données


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Cnam – Chaire de Turbomachines

� Comment mesurer les pertes sur banc Cnam

• Couplemètre– Séparation turbine compresseur– Effort sur la butée dû à la poussée sur la roue

compresseur�Nécessité de mesurer cet effort

• Puissance de frottements mécanique :

� Isolation du compresseur� Réchauffeur d’air � Choix des points de fonctionnement

mecaP

� Transferts thermiquesnégligeables

Expérimentations

meca arbre airP P P= −

Principe : Mesure par couplemètre

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Expérimentations


Cnam

?

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Expérimentations



Influence de la pression d’huile

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Expérimentations

Fturbine = 0



Rendement isentropique Rendement mécanique

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Résultats bas régimes dans le champ compresseur

Expérimentations

31


Sommaire


�


32


Pertes paliers• Approches classiques

– Formule de Newton du frottement fluide– Utilisation des grandeurs tabulées (TI)

Calcul des pertes mécaniques

– Exemple turbo

• Résolution de l’équation de Reynolds– Extension du domaine d’application des tables

• Modélisation numérique 3D– Utilisation des logiciels Gambit et Fluent

– Interface conviviale

– Prise en compte de la variation de température et viscosité

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=C

R

W

LDNS

µ

6.232

=

=C

R

W

LDNS

µ

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• Mêmes hypothèses que les TI (isotherme, palier aligné…)• Résolution par différences finies• Extension des tables pour application aux turbos

� Puissances de frottements surestiméesdu fait de l’hypothèse isotherme

θω

µθµθ d

dh

z

ph

z

p

r

h

r6

1 33

=

∂∂

∂∂+

∂∂

∂∂

Résolution de l’équation de Reynolds


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Modélisations CFD 3D• Domaine fluide • Domaine solide


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Modélisations CFD 3D

• Modélisation d’une portée de palier• Palier aligné � utilisation de la

condition de symétrie• Huile 5W30

– µ=f(T)

– ρ=f(T)• Equation de Navier Stokes• Laminaire• Prise en compte de l’échauffement dû

au frottement


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Résultats du calcul CFD

• Modélisation CFD 3D

– Isotherme � résultats analogues à DF

– Thermique, refroidissement du palier et échauffement de l’huile� Ordre de grandeur des résultats réaliste

� Courbes de tendance en adéquation avec d’autres travaux

– Prise en compte du débit de fuite servant au refroidissement et du transfert thermique à travers le palier

� Analyse de l’influence de la pression d’huile

� Bons résultats


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Résultats du calculs CFD• Couple de frottement en fonction

de la vitesse de rotation• Puissance de frottement en

fonction de la vitesse de rotation


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Résultats du calculs CFD• Influence de la pression sur la puissance de frottement


N=90k tr/min

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Résultats du calculs CFD• Débit d’huile en fonction de la pression d’huile


N=90k tr/min

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Résultats du calculs CFD• Répartition du débit


Total

Film1

Film2

Total

Film1 x100Film2

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Résultats du calculs CFD

• Diminution du frottement avec l’augmentation de la température d’huile (diminution viscosité)

• Augmentation du débit avec la pression et la température d’huile

• Augmentation du frottement avec le débit d’huile

• Puissance évacuée principalement par conduction/convection dans le film extérieur


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Comparaison essais vs calcul


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Sommaire

• Contexte de l’étude• Détermination des performances turbo.• Paliers et butée• Expérimentations• Calculs des pertes mécaniques• Travaux futurs�


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Mesure de l’effort de butée

Travaux futurs

• Mesure de l’effort par jauge de contrainte- Affaiblissement de la butée par usinage

(amplification des déformations)

• Essais préliminaires sur turbo. réalisés• Essais préliminaires sur moteur réalisés

• Poursuite des essais :- Essais sur banc turbo. avec couplemètre- Essais sur banc turbo. avec couplemètre et

effort axial variable

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• Butée instrumentée à l’étalonnage

Travaux futurs

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Travaux futurs

Banc actuel : effort axial� poussée sur roue du compresseurRéalisation :système de contrôle de l’effort axial

positif ou négatifBut :Dissociation des pertes paliers et butée

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Mesure directe du couple

• Jauge de contrainte sur arbre (φ = 5 mm)

• Nmax = 200000 rpm

Télémétrie Manner/Lescate

Travaux futurs

Projet DIAMS 48

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