Banc ECL-B3 de l EquipEx PHARE

Transcription

1 Projet PHARE-2 Banc ECL-B3 de l EquipEx PHARE Xavier Ottavy, ECL, le 27 février

2 Déroulement de cette présentation Amphi 3, 13:00 Présentation du projet PHARE 2 L Equipex PHARE Contexte des études liées au projet PHARE-2 Objectifs Gouvernance Le banc ECL-B3 Budget Planning Questions / réponses Centre Acoustique (bat KCA), à partir de 14:00 Visite des essais maquette de la volute du banc ECL-B3 Chambre anéchoïque du KCA 2

3 Equipex PHARE Plate-formes machines tournantes pour la maitrise des Risques Environnementaux 3 laboratoires membres du Carnot I@L Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes - UMR 5513 Fabrice Thouverez Professeur à l ECL Responsable de l EquipEx Laboratoire de Mécanique des Fluides et d Acoustique - UMR 5509 Xavier Ottavy Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures - UMR 5259 Régis Dufour Professeur à l INSA 3

4 Equipex PHARE Génèse 2009 : COSMIQ - Projet Carnot I@L LTDS + LMFA 2009 : CAPCAO Projet ANR LMFA + LTDS + KTH + Fluorem + IJLRA 2009 : IRINA Projet ANR LTDS + LaMCoS + LGM (ECN) + EDF + Turbomeca 2011 : Equipex PHARE LTDS + LMFA + LaMCoS 2013 : MERIT Projet Carnot I@L LMFA + LTDS + LaMCoS Un positionnement pour le Transport et l Energie Fédérer et rendre visible le pôle lyonnais en machines tournantes Comprendre la physique pour améliorer les performances Maîtriser la sécurité 4

5 Equipex PHARE Une plateforme constituée de 3 bancs d essais Banc d excitation multi-axes INSA Banc enceinte sous vide Banc multi-physique ECL Phase 1 : Mise en œuvre - 36 mois - débuter le 01/09/2011 Phase 2 : Exploitation - fin du suivi ANR le 21/12/2019 5

6 Equipex PHARE Une plateforme constituée de 3 bancs d essais Banc d excitation multi-axes INSA Banc enceinte sous vide Banc multi-physique ECL Phase 1 : Mise en œuvre - 36 mois - débuter le 01/09/2011 Phase 2 : Exploitation - fin du suivi ANR le 21/12/2019 6

7 Equipex PHARE Une plateforme constituée de 3 bancs d essais Banc d excitation multi-axes INSA Banc enceinte sous vide Banc multi-physique ECL-B3 ECL Projet PHARE-2 Phase 1 : Mise en œuvre - 36 mois - débuter le 01/09/2011 Phase 2 : Exploitation - fin du suivi ANR le 21/12/2019 7

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9 Contexte Amélioration des moyens de transports aéronautiques Enjeu sociétal fort Innovation sur la technologie des machines tournantes rendement énergétique sécurité impact environnemental ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) réduction à l horizon 2020 de 50% des émissions de CO2 80% des émissions de NOx 50% du bruit perçu 80% des accidents 9

10 Contexte 10

11 Comment atteindre ces objectifs Réacteurs à très fort taux de dilution (BPR) Rendement propulsif Réduction du bruit de la soufflante et du jet Importance des soufflantes (diminution du taux de pression, vitesse de rot.) Limitation actuelle du BPR à 9 (poids, trainées, sécurité, ) Compromis aérodynamique / aéroélacticité et aéroacoustique Diminution de la s.f.c. Importance du rendement aérodynamique des compresseurs Importance de la température de sortie de chambre => machine à prix d achat élevé, mais rentable sur le long terme Réacteurs intégrés Diminution de la trainée Alimentation hétérogène et distorsions 11

12 Instabilités Plage de fonctionnement typique d un compresseur Plage de débit plus étroite pour les soufflantes 12

13 Instabilités Plage de fonctionnement typique d un compresseur Plage de débit plus étroite pour les soufflantes Marges de sécurité pénalisantes Pompage (aérodynamique) Flottement (aéroélasticité) 13

14 Enjeux scientifiques Projet PHARE-2 Repousser les limites dans des zones de comportements extrêmes marges de sécurité excessives (absence de maîtrise des incertitudes) conséquence : exclusion de certaines zones à haut rendement énergétique besoin de conception virtuelle fiable Deux verrous scientifiques majeurs précurseurs et développement des instabilités couplage entre les approches aérodynamique, acoustique et structurelle Une physique très complexe non linéarités, problèmes multi-échelles, couplages, effets technologiques, besoin de validation des modélisations Des essais expérimentaux représentatifs très rares grande complexité induite par les approches multi-disciplinaires caractère potentiellement explosif et destructeur de l essai en cas de rupture 14

15 Objectifs du projet PHARE-2 Avancer dans les thématiques scientifiques Instabilités aérodynamiques et aéroélastiques Signatures aéroacoustiques Mettre en évidence et caractériser les phénomènes physiques associés aux instationnarités et aux instabilités en turbomachines. Franchir une nouvelle étape dans les méthodologies de sollicitations, d acquisition et de traitement des données. 15

16 Comité Scientifique de PHARE-2 Groupe d experts + Animateur du GTT Aérodynamique Animateur du GTT Aéroélasticité Animateur du GTT Aéroacoustique Comité Scientifique (CS) Interface GTT-CoTec-indus Responsable du Comité Technique (CoTec) Partenaire(s) industriel(s) Approuve les orientations Assure la cohérence académique/industrielle Evalue les résultats acquis et les transmet au CoPil Exprime et hiérarchise les besoins industriels Prend en compte les demandes du CS et étudie leur faisabilité Assure la mise en œuvre technique des demandes du CS Groupes de travail thématique (GTT) Expriment les axes de recherche Études multidisciplinaires Interagissent avec le partenaire industriel Proposent les projets (études + financements) 16

17 Membres du Comité Scientifique Groupe d experts OTTAVY Xavier (LMFA) Pilote du CS Aérodynamique des turbomachines CARBONNEAU Xavier (ISAE) Intégration système / écoulement transsonique DE SPIEGELEER Guy (Snecma) Stratégie R&T soufflantes et compresseurs BP FERRAND Pascal (LMFA) Aéroélastique ROGER Michel (LMFA) Aéroacoustique SCOTT Julian (LMFA) Turbulence et stabilité des systèmes THOUVEREZ Fabrice (LTDS) Dynamique des structures TREBINJAC Isabelle (LMFA) Turbomachines et écoulement supersonique Observateurs PAOLETTI Benoit (LMFA) Responsable CoTec DUBOIS Sandra (Snecma détachée à l ECL) Interface GTT / CoTec / Snecma Groupes de Travail Thématique Aérodynamique (X. Ottavy) Aéroélasticité (P. Ferrand) Aéroacoustique (M. Roger) 17

18 Comité Technique du banc ECL-B3 B. Paoletti : responsable du comité A. Azouzi : bureau d études S. Dubois : interface véhicule / banc S. Goguey : expertise instrumentation méthode d acquisition G. Halter : expertise bancs d essais haute vitesse P. Laucher : expertise bancs d essais haute vitesse Appui CAO P. Souchotte : expertise bancs d essais infrastructure acoustique Y. Rozenberg : expertise aéroélastique Invités X. Ottavy : Responsable projet + scientifique CNRS de PHARE Marc Jacob : Responsable scientifique UCBL de PHARE Direction du patrimoine 18

19 3 - Banc ECL-B3 (échelle 1/3 de soufflante de turboréacteur pour approche multi-physique) 19

20 Machines d essais + banc Projet PHARE-2 Ordres de grandeurs Débit max : 45 kg/s Taux de pression max Nn: 1.8 Taux de pression min 0.5Nn faible Vitesse max : rpm Puissance : 3.0 MWatt 20

21 Eléments du banc ECL-B3 Bâtiment et génie civil Aspiration + Rejet vers l'atmosphère (simulation acoustique) Salle d'essais Véhicule d essais Volute Venturi (+ alimentation Venturi) Salle de machinerie Salle de pilotage 21

22 Maitre d œuvre : CBXS Pascal Simonet 14/02/

23 Implantation bâtiment PHARE 23

24 Circuit aéraulique Projet PHARE-2 24

26 Aspiration / rejet Fonction Aspiration Fournir un écoulement «propre» Restreindre les nuisances sonores Rejet vers l'atmosphère (simulation acoustique) Limiter les pertes de charges Restreindre les nuisances sonores 26

27 Etude acoustique Aspiration / rejet Période diurne : émergence < 5 db(a) Émergence corrigée en fonction de la durée du bruit Bruit résiduel dans l après midi : 42 db(a) Puissance acoustique estimée du module d essais (portée jusqu au Venturi) Prise en compte de tous les dispositifs et matériaux 27

28 Simulation acoustique : Logiciel ACOUSPROPA Projet PHARE-2 28

30 5,5 m ~ 10 * D 6 m ~ 11 * D Projet PHARE-2 Salles d essais et machinerie D = 20 = 508 mm Dièdres de 70 cm 7 m ~ 13 * D 30

31 Calculs CFD salle d essais Projet PHARE-2 Obstacle mis en place pour une meilleure alimentation 31

32 Salle d essais chambre anéchoïque 32

33 Salle d essais chambre anéchoïque 33

35 Machine d essais Snecma MARLYSA Projet PHARE-2 Vue d artiste Propriété Snecma 35

36 Machine Marlysa Anneau tournant (mesures sur 360 ) Projet PHARE-2 Instrumentation : Propriété Snecma Aérodynamique Pression (stationnaire ou non) Température Fil chaud Mesure Laser (PIV, LDA) Acoustique Micros PI (type Kulite) Antennerie Aéroélasticité Jauges Mesures laser Mesure de jeux Tip timing Explorateur (déplacement radial et angulaire) Système acquisition mesures tournantes (télémesure) Couple-mètre Poussée axiale 36

38 Volute pièce fondamentale du banc Fonction Servitude volute (Air et huile) Assurer la transmission du couple Assurer l'interface avec le véhicule Contraintes extérieures (Effort aéro et tenue mécanique) Changer l'orientation de l'écoulement Ne pas induire de distorsions circonférentielles Minimiser les pertes de charges Faire varier la charge de la machine Permettre les études des instabilités aérodynamiques Intégrer un traitement acoustique 38

40 Refoulement et tube de Venturi 2 ème partie Galerie 1 ère partie Galerie Dimensions 1ère partie Galerie : 17 x 3.5 x 2(L x l x H en m) Dimensions 2ème partie Galerie : 13 x 3.5 x 2(L x l x H en m) 40

42 Salle des machineries Volute Moteur Projet PHARE-2 Dimensions 10 x 7.3 x 5.8 = L x l x H [m] Equipements Transformateur avec son bac de rétention Moteur + Variateur 3 MW Multiplicateur (+/- 3 tours/mn) Centrale de lubrification Déshuileur Surpresseur Volute + Vannage Air comprimé Refroidisseur d eau Massif béton de 7.5 x 2.5 m Ventilation de la salle 6000 m3/h Multiplicateur 42

44 Salle de pilotage Projet PHARE-2 Bâtiment ok Implantation des Pupitre de commandes Eléments de pilotage Surveillance banc et machine mesures spécifiques Logiciels d acquisition et connexion à la base de données Liens avec MERIT et LIQUEUR 44

45 Budget ECL-B3 Projet PHARE-2 Banc hors bâtiment : 2.5M Véhicule d essais Snecma : 5M Bâtiment : 2.5M ECL, dont Snecma 300k Financements ANR Investissement d avenir : 3M dont 1.36M pour ECL-B3 I@L via MERIT : 200k LMFA : 259k Snecma : 100 k + complément à venir PALSE, EPICE et I@L : à venir 45

46 Mise en place du Banc ECL-B3 Planning Début du projet : 01/09/2011 Premier tour de roue prévu pour juillet 2015 Planning des 2 premières années Configurations Snecma Configuration 0 (année 1) Déverminage banc + véhicule d essais Configuration axisymétrique Validation du principe Bi-flux / mono flux Soufflante de type LEAP X Configuration 1 (année 1) Montage de type LEAP X Configuration non-axisymétrique Etude paramétrique - Interaction Soufflante / OGV Configuration 2 et 3 (année 2) Montage de type UHBR Nouvelles conceptions LEAP X Configuration ouverte (année 3) Conception à réaliser (rotor isolé) Partenariat ONERA/SNECMA/ECL Thèse LMFA Quentin Rendu 46

47 Conclusion Projet PHARE-2 très ambitieux Physique complexe Approche pluridisciplinaire Aérodynamique / Aéroacoustique / Aéroélasticité Partenariat for avec Snecma Conception des Soufflantes des turboréacteurs des 15 prochaines années Constitution d un cas test international (configuration ouverte) Banc ECL-B3 et le véhicule d essais Evolution logique des bancs de Turbomachine Véhicule réaliste, mais très paramétrique (différence avec CREATE par ex) Couplage avec le projet PHARE-1 Attracteur pour de nouveaux partenaires (PME régionales) métrologies (ex: Micro DB) technologies (ex: DUC Hélices) Contribution à une meilleure visibilité de l ECL à l échelle nationale et internationale Un grand bravo à l équipe technique PHARE-2 et à la direction du patrimoine (service technique de l ECL) 47

48 Merci pour votre attention Equipex PHARE : Banc ECL-B3 48