De nouveaux tests pour des moteurs d'avion plus respectueux de l'environnement
Les turbines à gaz modernes sont de plus en plus souvent conçues de manière à fonctionner dans des conditions de température et de pression extrêmes. Ces conditions élevées augmentent le rendement thermique et réduisent les émissions. Des scientifiques ont lancé le projet FACTOR (Full aero-thermal combustor-turbine interaction research), financé par l'UE, pour mieux comprendre les interactions du champ d'écoulement entre la chambre de combustion et la turbine à gaz. Une connaissance approfondie de ces interactions est essentielle pour concevoir des turbines de moteur d'avion plus performantes et présentant une durée de vie plus longue. Performances supérieures, émissions réduites La physique complexe des écoulements des systèmes de combustion et de turbine, généralement constitués de nombreux composants extrêmement sophistiqués, a fait l'objet de nombreuses études au cours des dix dernières années. Les fabricants de moteur font d'importants efforts pour maîtriser cette interface qui, en raison des gaz extrêmement chauds, des couches limites variables, des effets de turbulence et de l'instabilité inhérente de certains des phénomènes, est une zone particulièrement complexe. Une meilleure compréhension de l'interaction complexe entre le système de refroidissement et le transport et le mélange de l'air dans les turbines de moteur d'avion permettra de réduire la consommation spécifique de carburant. «La capacité à prévoir avec exactitude les interactions entre la chambre de combustion et la turbine conduira à une conception plus optimisée et donc à des moteurs plus efficaces», indique Matthieu Chevrier, coordinateur du projet. «L'objectif de FACTOR était de fournir des données précises et fiables pouvant servir à améliorer les modèles de calcul», poursuit-il. L'objectif du projet était non seulement de réduire la consommation de carburant, mais aussi de réduire de 1,5 % le poids de la turbine à haute pression, permettant ainsi de réduire de 3 % le coût du moteur. De nouvelles installations expérimentales Le projet s'est appuyé sur les résultats et directives de précédentes initiatives financées par l'UE pour établir de nouveaux liens entre des experts européens des chambres de combustion et des turbomachines. Ces efforts ont été soutenus par la mise à disposition par DLR Göttingen d'une nouvelle installation de test de turbine combinant une chambre de combustion et un simulateur de turbine haute pression qui ont permis de procéder à des mesures aérodynamiques et aérothermiques. L'infrastructure de test FACTOR a permis de collecter des données expérimentales afin de mieux comprendre le transport d'écoulement secondaire et les mécanismes de mélange dans la turbine. Alimentée par de l'air chaud et froid, cette nouvelle installation a aussi permis aux chercheurs d'explorer plus en profondeur les interactions thermiques entre la chambre de combustion et la turbine. Une installation complémentaire de turbine actionnée par gaz d'échappement située à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, a permis de compléter l'analyse du banc de test de flux continu de DLR. Même si les températures du banc de test sont restées inférieures aux températures réelles, le comportement aérodynamique de la turbine était représentatif des moteurs les plus récents. «L'aube directrice de sortie, située juste après la chambre de combustion, doit être refroidie en raison de la température élevée émise par la chambre», explique M. Chevrier. «Ce flux de température n'est pas homogène mais très hétérogène, et en prévoyant mieux la migration du point chaud dans la turbine, nous pouvons optimiser le rendement du moteur.» Toutes les données de mesure ont servi à créer une nouvelle base de données de test accessible à tous les partenaires du projet FACTOR. La base de données contient différentes positions de cadençage qui aideront à mieux comprendre les interactions du point chaud avec la turbine. Elle contient également les mesures détaillées dans toutes les interfaces qui seront disponibles et utilisées durant au moins les 10 prochaines années, afin de mieux comprendre la structure fluide de la turbine. Les résultats de FACTOR devraient contribuer notablement à concevoir de nouveaux moteurs à combustion interne, avec un rapport air/carburant élevé. Ce type de moteur à combustion maigre a un meilleur rendement en carburant et produit moins de rejets.
Mots‑clés
FACTOR, chambre de combustion, turbine à gaz, interaction chambre de combustion-turbine, moteur d'avion, champ d'écoulement
