Performances des turbocompresseurs aux basses vitesses de rotation

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1 DELIGANT/PODEVIN Mardi 23 mars 2010 Performances des turbocompresseurs aux basses vitesses de rotation Michaël DELIGANT : Doctorant Pierre PODEVIN : Ingénieur de recherche CNAM Chaire de Turbomachines et Moteurs à Combustion Interne Approche analytique Modélisation 2D Perspectives Projet DIAMS 1

2 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 2

3 Champ compresseur P 2t P 1t ? qm (kg/s) Contexte de l étude 3

4 Sur cycle urbain et extra-urbain N turbo < RPM Contexte de l étude 4

5 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 Contexte de l étude 5

6 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 6

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 Moyens d essais Détermination des performances turbo. 7

8 Performances turbocompresseur Caractéristiques : débit, taux de compression puissance (rendement) Détermination puissance : Application premier principe en écoulement permanent Gaz parfait et adiabatique dh + dec + dep = δq + δwa ( ) P = q c T T m p is ie Détermination des performances turbo. 8

9 Performances turbocompresseur 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 η on mesure la puissance compresseur et le produit : comp η méca est donné Détermination des performances turbo. 9

10 Puissance du compresseur aux basses vitesses de rotation - Le fonctionnement ne peut plus être considéré adiabatique : Taux de compression faible faible élévation de température Transfert thermique non négligeable Incertitudes sur la mesure de puissance - Si la puissance fournie à l arbre du compresseur est connue (couplemètre) : P arbre - Si les pertes mécaniques sont connues : P meca - La puissance fournie au fluide est : Pair = Parbre Pmeca Il ne "reste " donc qu à estimer les pertes mécaniques Détermination des performances turbo. 10

11 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 11

12 Paliers et butée 12

13 Paliers Guide l arbre en rotation et amorti les vibrations Paliers lisses Roulement à billes Paliers et butée 13

14 Butée Équilibre les poussée axiales Butée à patins inclinés Paliers et butée 14

15 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 15

16 Institut aérotechnique de Hanovre dω Principe : Mesure par essais de décélération J rotor. = M R + M dt L Moment résistant : frottements mécanique M R + frottements aérodynamique M L Expérimentations 16

17 Institut aérotechnique de Hanovre dω Principe : Mesure par essais de décélération J rotor. = M R + M dt L Expérimentations 17

18 Institut aérotechnique de Stuttgart Principe : Mesure directe par couplemètre Test du système palier + butée N = rpm (possibilité rpm) Précision 0,001 N.m Expérimentations 18

19 Institut aérotechnique de Stuttgart Principe : Mesure directe par couplemètre Possibilité de contrôler l effort axial Expérimentations 19

20 Institut aérotechnique de Stuttgart Principe : Mesure directe par couplemètre Expérimentations 20

21 Honeywell Turbo Technologies Principe : Banc adiabatique Expérimentations 21

22 Honeywell Turbo Technologies Principe : Banc adiabatique Roue sans aubes W compresseur ~ 0 Expérimentations 22

23 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre Mesures : Couple et vitesse turbo Débit massique air turbine et compresseur Débit massique huile Températures caractéristiques turbo. Températures huile + palier Pressions caractéristiques turbo. Expérimentations 23

24 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre - Couplemètre : N = à tr/min : C max =0,4 N.m +/- 0,0016 N.m - Centrale lubrification : P huile : 0.5 à 4 bar, T huile : 20 à 120 C - Vannes pilotées en amont turbine et en aval compresseur Expérimentations 24

25 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre -Carte d acquisition National Instrument USB - 32 entrées - Logiciel acquisition Labview Traitement entrées Sauvegarde données Expérimentations 25

26 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre 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 : Pmeca = Parbre Pair Isolation du compresseur Réchauffeur d air Choix des points de fonctionnement P meca Transferts thermiques négligeables Expérimentations 26

27 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre Cnam? Expérimentations 27

28 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre Influence de la pression d huile Expérimentations 28

29 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre Rendement isentropique Rendement mécanique F turbine = 0 Expérimentations 29

30 Cnam Chaire de Turbomachines Principe : Mesure par couplemètre Résultats bas régimes dans le champ compresseur Expérimentations 30

31 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 31

32 S µ LDN = W R C 2 DELIGANT/PODEVIN Mardi 23 mars 2010 Pertes paliers Approches classiques Formule de Newton du frottement fluide Utilisation des grandeurs tabulées (TI) 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 µ LDN S = W = 23.6 Prise en compte de la variation de température et viscosité R C 2 Calcul des pertes mécaniques 32

33 Résolution de l équation de Reynolds 1 r 3 h θ µ r p θ + z 3 h p µ z = dh 6ω dθ Mêmes hypothèses que les TI (isotherme, palier aligné ) Résolution par différences finies Extension des tables pour application aux turbos Puissances de frottements surestimées du fait de l hypothèse isotherme Calcul des pertes mécaniques 33

34 Modélisations CFD 3D Domaine fluide Domaine solide Calcul des pertes mécaniques 34

35 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 Calcul des pertes mécaniques 35

36 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 Calcul des pertes mécaniques 36

37 Résultats du calculs CFD Couple de frottement en fonction de la vitesse de rotation Puissance de frottement en fonction de la vitesse de rotation Calcul des pertes mécaniques 37

38 Résultats du calculs CFD Influence de la pression sur la puissance de frottement N=90k tr/min Calcul des pertes mécaniques 38

39 Résultats du calculs CFD Débit d huile en fonction de la pression d huile N=90k tr/min Calcul des pertes mécaniques 39

40 Répartition du débit Résultats du calculs CFD Total Total Film2 Film1 x100 Film2 Film1 Calcul des pertes mécaniques 40

41 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 Calcul des pertes mécaniques 41

42 Comparaison essais vs calcul Calcul des pertes mécaniques 42

43 Sommaire Contexte de l étude Détermination des performances turbo. Paliers et butée Expérimentations Calculs des pertes mécaniques Travaux futurs Conférence Cnam-SIA 43

44 Mesure de l effort de butée 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 Travaux futurs 44

45 Mesure de l effort de butée Butée instrumentée à l étalonnage Travaux futurs 45

46 Mesure de l effort de butée Banc actuel : effort axial poussée sur roue du compresseur Réalisation : système de contrôle de l effort axial But : positif ou négatif Dissociation des pertes paliers et butée Travaux futurs 46

47 Mesure directe du couple Jauge de contrainte sur arbre (φ = 5 mm) Nmax = rpm Télémétrie Manner/Lescate Travaux futurs 47

48 DELIGANT/PODEVIN Mardi 23 mars 2010 Merci de votre attention Projet DIAMS 48

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