Caractérisation de la performance aérodynamique d'un étage de turbine radiale à géométrie variable, en fonctionnement hors-adaptation

par Pierre-Thomas Lauriau

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Nicolas Binder et de Xavier Carbonneau.

Le président du jury était Gérard Bois.

Le jury était composé de Nicolas Binder, Xavier Carbonneau, Gérard Bois, José Galindo, Christelle Périlhon, Stéphane Guilain, Mathieu Roumeas.

Les rapporteurs étaient José Galindo, Christelle Périlhon.


  • Résumé

    La mutation technologique du transport en général et aéronautique en particulier, engagée au niveau européen, conduit à une évolution vers des avions plus économiques et moins consommateurs de carburant. Ceci impacte fortement les systèmes de conditionnement d’air par une électrification partielle ne nécessitant plus de prélèvement d’air sur les réacteurs. Il est alors nécessaire d’assurer une large plage de débit à travers la turbine, élément de la turbomachine constituant le cœur du « pack » de conditionnement d’air, tout en fournissant le maximum de puissance possible sur l’ensemble de la plage. L’étage turbine classique ne peut pas assurer la plage de débit spécifiée. Il est donc remplacé par un étage turbine à section d’injection variable. Cet étage turbine doit fonctionner depuis la phase de maintenance au sol (faible débit, fort taux de détente) jusqu'en phase de croisière (fort débit, faible taux de détente), tout en assurant également son rôle sur les autres phases de vol et multiples cas de panne. La problématique est alors de concevoir une turbine dont la géométrie varie en fonctionnement et qui présente de très bons rendements sur une large plage de débit. Il est ainsi primordial de comprendre au préalable la complexité des écoulements pour ce type de géométrie, et comment le dispositif assurant la variation de section va influencer la topologie de l’écoulement dans l’étage turbine. En particulier, la présence de jeux dans les parties statiques de l’étage introduit une perturbation tourbillonnaire en amont du rotor. L’impact de cette perturbation sur l’écoulement principal, son interaction avec les écoulements secondaires, doit être détaillé. L’influence de la localisation de cette perturbation, de son intensité, doit être analysée, dans un contexte rendu très complexe par la variabilité de la géométrie. La compréhension des phénomènes mis en jeu responsables de la variation des performances dans l’étage turbine, permettra de définir une stratégie de dimensionnement à adopter. L’amélioration des performances de la turbine permettra ainsi de limiter la puissance demandée sur le moteur électrique afin de limiter la masse embarquée et donc la consommation de carburant. La méthodologie retenue pour aborder cette problématique, se décline en quatre volets. Un premier volet bibliographique pour s’approprier les phénomènes physiques liés à l’écoulement dans une turbine à géométrie variable et faire un état de l’art des solutions techniques existantes de géométrie variable des distributeurs de turbines centripètes. Un volet numérique dont l’objectif sera double. D'une part, de proposer une méthodologie de calcul robuste de prévision des performances et, d’autre part, de discriminer différentes options de dimensionnement dont la pertinence doit être démontrée sur l’ensemble de sa plage d’opérabilité. Un volet expérimental représentant la part principale de la thèse, consistera à mettre en place un module spécifique pour réaliser et analyser les essais pour des points de spécification représentatifs du fonctionnement de la turbine sur avion. Cela permettra de fournir une base de données d’analyse et de validation, et de quantifier les effets d’intégration. Ces études numérique et expérimentale seront conduites conjointement, afin que l’analyse de l‘écoulement profite de la complémentarité des deux approches. La dernière étape de cette étude a pour but la restitution des résultats obtenus et le savoir-faire vers l’industrie tant du point de vue de la prédiction des performances que de la méthodologie de dimensionnement des turbines à géométrie variable.

  • Titre traduit

    Characterisation of a variable geometry radial turbine stage aerodynamic performance, in case of off-design operation


  • Résumé

    The technological mutation of transport in general and aeronautics in particular, engaged to the European level, leads to an evolution of more economical and fuel-efficient aircrafts. It strongly impacts the environmental control systems by a partial electrification which does not need an air bleeding on the engine anymore. Then it is necessary to insure a large output range through the turbine, element of the turbomachine which forms the heart of the air conditioning « pack », while providing the maximum amount of possible power on the whole range. The classical turbine stage cannot insure the specified output range. Then it is replaced by a variable geometry radial inflow turbine. This turbine stage has to function from the maintenance phase on the ground (weak output, strong expansion ratio) to the en route phase (strong output, weak expansion ratio). It also has to guarantee its role during the others phases of flight and in case of multiple failures power. So the problematic is to design a turbine such that its geometry varies in operation and adapt itself to the changing operating with the best possible efficiency on the widest possible range. Thus it is primordial to understand beforehand the complexity of flows for this kind of geometry, and how the variable geometry device affects the flow topology in the turbine stage. In particular, the presence of clearances in the static parts of the stage creates a vortex perturbation upstream from the rotor. The impact of this perturbation on the main flow, its interaction with secondary flows, must be detailed. The influence of the perturbation localisation, its intensity, must be analysed, in the complex variable geometry context. The understanding of phenomenon involved and responsible for the downgrade of performance in the turbine stage, will allow defining a specific strategy of design. The improvement of performance for the turbine will enable to restrict the required power on the electrical engine for limiting the on board weight, and then the fuel consumption. The selected methodology to broach this problematic, is divided into four parts. Firstly, a bibliographic part in order to appropriate physics phenomenon related to the flow in a variable geometry turbine will be conducted, together with a state of art about the different existing technological solutions. Secondly, some numerical simulations will be set to propose a methodology of robust calculations for performance prediction and, to discriminate different design options. The third step consists in an experimental phase representing the main work of the thesis. It will consist in the definition of a specific module instrumented for tests representative of the turbine on aircraft functioning. It will provide a database for analysing the flow and validating the numerical simulations, and to quantify the effects of integration. These numerical and experimental studies will be led jointly, such that the general analysis takes advantage of complementarity of both approaches. The last step of this study aims at conditioning the results achieved and the know-how for industrial application.


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