AEROELASTICITE DES SOUFFLANTES ET DES COMPRESSEURS – CONDOR

Le projet CONDOR repose sur une approche multidisciplinaire combinant expérimentations, simulations numériques et modélisation avancée pour analyser l’aéroélasticité des soufflantes et des compresseurs.

1. Expérimentations en soufflerie et caractérisation acoustique
Des essais en soufflerie sont menés pour étudier les interactions entre les écoulements et les structures des pales. Une instrumentation spécifique, incluant des microphones miniaturisés et des haut-parleurs pour l’excitation acoustique, permet d’analyser les modes vibratoires et d’identifier les instabilités.

2. Simulations haute-fidélité (CFD et FSI)
Des simulations numériques avancées sont réalisées en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD) et l’interaction fluide-structure (FSI). Ces analyses permettent de capturer les effets non linéaires des vibrations et d’explorer les mécanismes responsables des phénomènes instables tels que les vibrations non synchrones (NSV) et le flottement.

3. Modélisation et modèle réduit
Un modèle réduit est développé pour prédire les instabilités aéroélastiques en intégrant des effets non linéaires et de désaccordage (mistuning). Ce modèle vise à optimiser la conception des soufflantes et à proposer des stratégies de contrôle des instabilités pour les moteurs de nouvelle génération.

4. Validation expérimentale et application industrielle
Les modèles développés sont confrontés aux résultats expérimentaux afin de valider leur précision et leur applicabilité industrielle. Le projet explore des solutions telles que l’optimisation de la conception des pales et l’utilisation de traitements de carter pour atténuer les instabilités.

En combinant ces différentes approches, CONDOR vise à fournir des outils de simulation et de conception innovants pour améliorer la fiabilité et la performance des moteurs aéronautiques tout en réduisant leur impact environnemental.

Le projet CONDOR a déjà apporté des avancées significatives dans la compréhension et la maîtrise des instabilités aéroélastiques des soufflantes et des compresseurs.

1. Progrès dans les expérimentations

Une grille annulaire équipée de capteurs acoustiques et vibratoires a été conçue et testée pour étudier les modes acoustiques et les instabilités aéroélastiques.
L'instrumentation avancée, incluant un réseau de haut-parleurs et de microphones miniaturisés, a permis d’exciter et de mesurer précisément les modes vibratoires des pales.
La mise en place d’une nouvelle salle d’essais avec soufflerie et conduites d’air a été achevée, permettant de réaliser des mesures dans des conditions contrôlées.

2. Développement et validation des modèles numériques

Une chaîne de simulation complète intégrant les effets non linéaires des vibrations a été développée.
Des simulations haute-fidélité en dynamique des fluides (CFD) et en interaction fluide-structure (FSI) ont permis d’analyser les phénomènes de vibrations non synchrones (NSV).
Une première validation des modèles numériques a été réalisée en comparant les résultats des simulations avec les données expérimentales.

3. Optimisation et réduction d’ordre

Un modèle réduit a été développé pour prédire les instabilités aéroélastiques tout en intégrant les effets de désaccordage (mistuning).
Des méthodologies de conception ont été améliorées pour optimiser l’aéroélasticité des pales et réduire le risque d’instabilités.

4. Impact industriel et collaboration avec Safran

Le projet a conduit à un ajustement stratégique avec l’abandon de la soufflante à pas variable au profit d’un traitement de carter pour stabiliser les flux dans les moteurs transsoniques.
Une méthodologie d’optimisation des traitements de carter a été mise en place et testée avec des simulations numériques avancées.
Un transfert de savoir-faire vers l’industrie a été amorcé, avec des perspectives d’application sur les futures générations de moteurs aéronautiques.

5. Diffusion et perspectives

Les résultats du projet ont été présentés lors de conférences scientifiques et intégrés à des publications académiques.
Un workshop dédié aux avancées du projet est prévu en 2025, réunissant des experts académiques et industriels.
De nouvelles perspectives de recherche sont ouvertes, notamment sur l’optimisation des traitements de carter et l’amélioration des modèles de simulation.

Grâce à ces avancées, CONDOR contribue à l’amélioration des moteurs aéronautiques de nouvelle génération, en renforçant leur fiabilité et leur performance tout en réduisant leur impact environnemental.

Le projet CONDOR ouvre des perspectives prometteuses pour l’amélioration des moteurs aéronautiques en intégrant des approches innovantes en aéroélasticité et en dynamique des fluides.

1. Optimisation des modèles et simulations

Poursuivre l’amélioration des modèles numériques pour une meilleure prédiction des instabilités aéroélastiques.
Intégrer des méthodes d’apprentissage automatique pour affiner la précision des simulations et accélérer les calculs.
Étendre les analyses aux architectures de moteurs de nouvelle génération, notamment les configurations à ultra-haute dilution (UHBR).

2. Expérimentations et validations supplémentaires

Finaliser les tests sur le traitement de carter et valider son efficacité sur la configuration ECL5.
Mener de nouvelles campagnes de mesures en soufflerie pour explorer d’autres paramètres influençant les instabilités.
Comparer et affiner les résultats expérimentaux avec les prédictions des modèles numériques.

3. Applications industrielles et transfert technologique

Collaborer avec Safran Aircraft Engines pour intégrer les avancées de CONDOR dans leurs futurs moteurs.
Adapter les méthodes développées à d’autres composants de moteurs aéronautiques pour optimiser la robustesse globale.
Explorer les possibilités d’application des modèles d’aéroélasticité à d’autres industries, notamment l’énergie éolienne et les turbines à gaz.

4. Formation et diffusion scientifique

Renforcer la formation des jeunes chercheurs et ingénieurs sur les problématiques d’aéroélasticité à travers des formations spécialisées.
Publier les résultats du projet dans des revues scientifiques de référence et les présenter lors de conférences internationales.
Organiser un workshop annuel réunissant chercheurs et industriels pour partager les avancées et favoriser l’innovation collaborative.

5. Nouveaux axes de recherche

Explorer les effets des interactions fluide-structure sur des matériaux composites avancés pour améliorer la conception des pales.
Étudier l’impact des conditions environnementales extrêmes (turbulences, variations thermiques) sur les instabilités aéroélastiques.
Développer des stratégies de contrôle actif pour atténuer en temps réel les vibrations et optimiser la performance des moteurs.

Grâce à ces perspectives, CONDOR se positionne comme un projet clé pour l’évolution des moteurs aéronautiques, contribuant à leur fiabilité, leur durabilité et leur performance énergétique.

Au cours de la première période de rapport, aucune publication n'a été réalisée, mais plusieurs sont déjà en préparation et les premières conférences auront lieu début 2025.

L’idée de neutralité climatique visant à réduire l’empreinte carbone soulève de réels défis scientifiques et techniques dans le domaine de la propulsion aéronautique, et plus particulièrement pour les turbomachines. Le principal défi réside dans l’optimisation d’aubes légères, dites souples, soumises à un chargement aérodynamique important, leur faisant subir des déformations statiques et dynamiques qui interagissent avec l’écoulement environnant. Ces interactions aéroélastiques peuvent endommager la structure et conduire à une destruction de la turbomachine. À l’heure actuelle, les motoristes appliquent de larges marges de sécurité sur les plages de fonctionnement pour éviter le voisinage de régimes où ces interactions sont susceptibles d'exister. Cette restriction d’opérabilité dégrade considérablement le bilan énergétique de la turbomachine, et freine l’amélioration de ses performances. La prise en compte de ces interactions aéroélastiques dans la phase de conception débloquerait un verrou technologique très limitatif aujourd’hui. Cependant, ce saut technologique est actuellement au-delà du possible de par de la complexité de ces interactions dans les turbomachines modernes, du manque de méthodes de prédiction simples et rapides, et de la faible précision des méthodes existantes.

Le programme de recherche de CONDOR porté par Safran Aircraft Engines (SAE) et l’Ecole Centrale de Lyon s’articule autour des instabilités aéroélastiques présentes dans les fans et compresseurs modernes utilisés dans l’aviation civile, qui sont critiques pour la sécurité et la recherche d’une réduction des émissions. La création d’une coopération forte et durable sous la forme d’une Chaire Industrielle permettra d’unir le savoir académique et industriel afin de répondre aux défis techniques soulevés par ces problématiques. Grâce à cette collaboration, l’élaboration de méthodes académiques, innovantes et avancées, qui seront éprouvées sur des machines réelles, permettra de repousser les limites technologiques actuelles pour la conception de machines plus performantes et plus sures.
Le projet scientifique repose sur l’analyse des phénomènes de couplage entre l’aérodynamique, l’aéroacoustique et la mécanique des structures. La compréhension de ces interactions passe tout d’abord par une analyse fine de l’aérodynamique des écoulements (complexes, 3D et transsoniques) autour des aubes en utilisant des simulations numériques prenant en compte les grandes échelles de la turbulence (LES). Ce sont les résultats de ces simulations à haut niveaux de fidélité qui permettront l’extraction et l’élaboration de nouveaux cadres de modélisation de la physique de l’écoulement interagissant avec la structure. De plus, la théorisation de ces phénomènes s’appuiera aussi sur des expériences originales (soufflantes avec des aubes en matériaux composites à géométrie variable, environnement multi-étage). Ici, la mise en œuvre de méthodes de prédiction simples et rapides est donc basée sur des simulations numériques, des expériences et des analyses avancées, seules possibles dans les laboratoires experts du domaine de la mécanique.

Cette Chaire permettra l’obtention de moyens qui vont assoir une collaboration solide et durable entre SAE et le LMFA dans le domaine de l’aéroélasticité. Les avancées scientifiques et technologiques attendues promettent un impact considérable tant pour les industriels que pour les chercheurs et placeront ce partenariat parmi les leaders de la propulsion aéronautique du point vue des méthodes de conception. Les retombées scientifiques attendues dans le domaine de la propulsion aéronautique le seront aussi plus largement dans le domaine de la physique des interactions fluide-structure, avec des répercutions directes sur les turbomachines utilisée dans le domaine de la production d’énergie.
Elles permettront en outre de consolider la jeune équipe de chercheurs du LMFA dans les domaines de l’aérodynamique et de l’aéroélasticité des turbomachines.