Chaire pour l’Aérodynamique, Spécifique aux TurbOmachines Radiales – CASTOR

Castor est organisé en cinq tâches principales, abordant la flexibilité d'utilisation des turbomachines radiales, à savoir l'élargissement de la plage de fonctionnement, la façon de la mesurer ou de la prédire, et la façon de la concevoir. La première tâche (T1) est consacrée à la gouvernance administrative et à l’orientation scientifique du projet. Trois tâches techniques correspondent aux quatre objectifs décrits ci-dessus. Les deux premiers (T2 et T3) sont spécifiques respectivement au compresseur et à la turbine ; le dernier (T4) est transversal. Enfin, T5 supervise la diffusion des connaissances acquises tout au long du projet. Les taches techniques sont :

- T2 [Plage d'utilisation des compresseurs centrifuges] est dédié à l’Obj1, qui cherche à caractériser une configuration d’étage compresseur inédite : roue carénée avec un diffuseur à calage variable, qui devrait permettre une progression significative à la fois sur le rendement et sur la plage de fonctionnement. L’analyse va être conduite à partir de simulations numériques avancées et à partir de résultats expérimentaux. Dans un premier temps, le rotor et le système à géométrie variable sont analysés séparément. Un doctorant est prévu sur chaque étude. Enfin, les travaux sont mis en commun, permettant de statuer sur cette configuration d’étage, ou de proposer des combinaisons différentes.

- T3 [Turbines radiales non-conventionnelles] est dédié à l’Obj2. Son ambition est de revoir les pratiques de conception établies de longue date dans le contexte de spécifications multi-points et de variabilités géométriques.Des configurations non conventionnelles (géométries et conditions de fonctionnement) seront détaillées et expérimentées, élargissant ainsi l’espace de conception des turbines radiales. À nouveau, la partie rotor et la partie géométrie variable sont traitées séparément, dans un premier temps. La première étude s’articule autour d’une thèse. La deuxième fera l’objet d’une contribution d’un chercheur post-doctorant. Enfin, une troisième étape cherchera à caractériser le fonctionnement reversible des turbines radiales, avec la mesure en régime d’auto-rotation libre qui est une des bornes de fonctionnement de l’étage.

-T4 [Methods] rassemble l’Obj3, qui se concentre sur les méthodes d’analyse (numériques et expérimentales), et l’Obj4, qui aborde la question des procédures de conception. Cette tâche est la courroie de transmission entre T2 et T3, profondément enracinées dans les questions académiques, et l’application industrielle. Cette tâche a pour rôle naturel de fournir des techniques d’analyse adaptées à l’environnement industriel. Il recueillera également les connaissances acquises sur la turbine et le compresseur et les convertira en pratiques de conception.

Etat d'avancement à 18 mois :

Tâche 1 :
- L’essentiel du recrutement est assuré, ce qui lève un risque majeur du projet ;
- la structure du projet est en place, tant sur le plan juridique que de la gestion ;
- de fortes interactions entre les établissements s’établissent.

Tâche 2 :
- Les deux thèses prévues ont démarré, et démontrent un avancement tout à fait satisfaisant ;
- Un premier examen rigoureux de la stabilité des compresseurs flasqué est disponible, à la fois par
voie expérimentale et numérique. Il démontre un surcroit de performance de la roue flasqué moins
marqué qu’espéré. En revanche le comportement de l’étage en limite de stabilité est beaucoup plus
progressif que celui de l’étage de référence. Enfin, une étude détaillée du diffuseur et de la zone de
recirculation en entrée est en cours, car pressenties déterminantes pour le rendement et la plage de
fonctionnement ;
- Un modèle d’ordre faible d’un étage de compresseur centrifuge dont la partie statique est à
géométrie variable (grille d’entrée et diffuseur) est désormais disponible et validé à partir de données
expérimentales et numériques. Ce modèle permet d’établir des comportements au premier ordre,
qui vont être examinés tout au long de la thèse. En particulier, le fait que deux valeurs d’angle
d’ouverture pour la grille d’entrée suffisent à obtenir la meilleure performance sur toute la plage est
à vérifier. Si cette conclusion se concrétise, elle offre de nombreuses perspectives concrète.

Tâche 3 :
- La thèse a démarré, avec un état d’avancement tout à fait satisfaisant ;
- la possibilité d’obtenir des bons rendements hors de la plage d’utilisation classique est démontrée
par voie de simulations numériques, et doit être démontrée expérimentalement ;
- une spécification compatible avec le banc d’essai a été identifiée, et utilisée pour produire des
géométries de rotors non conventionnels, en capitalisant les études réalisées au préalable.

Tâche 4 :
- cette tâche est à ce jour la plus avancée, du programme scientifique défini pour CASTOR ;
- les bancs d’essais sont opérationnels, et des campagnes d’essais de complexité croissante sont
programmés.
- les méthodes numériques d’ordre faible dites BFM font l’objet d’un examen inédit pour les
machines centrifuges, et d’une adaptation fructueuse ;
- cette implémentation a révélé des comportements remarquables, concernant la stabilité de l’étage. En
particulier, la possible apparition d’une recirculation au moyeu est théoriquement envisagée par la
méthode, mais jamais observée en réalité. Le fait que cette configuration présente un rendement
très largement supérieur au cas classique mérite un examen approfondi ;
- des simulations très fortement résolues, inédites pour les machines centrifuges, sont en cours de
réalisation ;
- les travaux réalisés dans cette tâche irriguent les autres composantes du projet, au travers de
recommandations méthodologiques, qui sont également formattées pour l’environnement industriel.

Poursuite des travaux en cours et renforcement de l'équipe expérimentale.

Ollivier P., Bousquet Y., & Bayle A., ANALYSIS OF UNSTEADY FLOW STRUCTURE OF A SHROUDED CENTRIFUGAL IMPELLER WITH VANED DIFFUSER, 11th EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND AEROSPACE SCIENCES (EUCASS).

L’adaptation des transports aux energies non carbonées exige des évolutions importantes dans l’architecture des systèmes. De nombreux sous-systèmes, tels que l’unité de propulsion ou les systèmes de climatisation, sont impacté. Les turbomachines impliquées dans ces sous-systèmes doivent être adaptées. Dans ce processus d’électrification, la plage de fonctionnement requise pour les turbines et les compresseurs doit être augmentée au delà de l’état de l’art actuel, tout en proposant un rendement élevé. La chaire CASTOR est un programme de recherche commun entre Liebherr Aerospace, un fournisseur reconnu de systèmes de conditionnement d’air pour l’industrie aéronautique, et ISAE-Supaero, qui a déploie une activité de recherche reconnue dans l’étude du fonctionnement hors-adaptation des turbomachines radiales. Le programme scientifique est axé sur ces turbomachines radiales. L’objectif principal de la chaire est d’augmenter la plage de fonctionnement des compresseurs centrifuges et des turbines radiales. Les approches de conception établies de longue date doivent être revues, et adaptées aux nouvelles spécifications qui impliquent plus de diversité de fonctionnement. Au préalable, une compréhension approfondie des limites des plages de fonctionnement est requise. La principale borne d’opérabilité des compresseurs est la limite de stabilité menant an décrochage tournant et au pompage, et va être étudiée. Du côté des turbines, les possibilités offertes par des géométries non conventionnelles seront explorées. Pour les deux machines, la pénalité en rendement induite par l’écoulement de jeu en tête de pale, qui contamine fortement l’écoulement lorsque les machines sont de dimensions réduites, sera analysée, et la flexibilité offerte par la solution à géométrie variable sera quantifiée. L’étude simultanée de turbines radiales et de compresseurs centrifuges, généralement abordée par des communautés scientifiques spécialisées, est une rare occasion de transférer des connaissances génériques d’une machine à l'autre. Il offre également la possibilité de mutualiser les travaux méthodologiques, qui seront menés non seulement sur le terrain expérimental mais aussi grâce à des simulations numériques avancées ou à des modélisations d’ordre faible.
Enfin, la chaire industrielle est une excellente occasion de structurer le partenariat de trente ans entre Liebherr et ISAE-Supaero et de donner une nouvelle impulsion à ce cadre de recherche à long terme. Une équipe de douze personnes mènera le programme scientifique sur une durée de quatre ans, décliné entre l’entreprise et le laboratoire. L’adaptation des connaissances à l’environnement industriel est une préoccupation majeure de CASTOR. Le gain de flexibilité attendu des turbomachines radiales aidera à répondre aux exigences d’électrification des aéronefs. Il contribuera également au développement de piles à combustible ou de cycles de récupération de chaleur. Il favorisera l’émergence de nouvelles architectures de systèmes, qui pourront infuser d’autres secteurs industriels.