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inveSTigation of an ultrA compact Reverse flow combusTor

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Des outils de simulation et de diagnostic avancés stimulent l’innovation aérospatiale en Europe

Les avions à turbopropulseurs conviennent parfaitement pour assurer des déplacements régionaux efficaces et rentables tout en réduisant la consommation de carburant et les émissions. Des chercheurs de l’UE ont validé un concept de chambre de combustion de pointe qui réduira les coûts et le poids embarqué, renforçant ainsi la position concurrentielle de l’Europe sur le marché du transport aérien de petite taille.

Transports et Mobilité

L’air traverse les moteurs à réaction de la plupart des grands avions de manière linéaire (flux axial) de l’entrée à l’échappement, mais cette technique est moins efficace à basse vitesse. Les petits avions régionaux à turbopropulseurs utilisent souvent une conception nouvelle, bien que quelque peu contre-intuitive, mieux adaptée à ces conditions. La direction du flux d’air est inversée plus d’une fois, ce qui permet de concevoir des moteurs plus courts et plus compacts qui consomment moins de carburant par passager, et engendrent donc moins d’émissions. Le principe de ces turbopropulseurs repose sur des chambres de combustion annulaires ou à flux inversé, avec une disposition annulaire standard autour de l’axe du moteur. La réduction de la taille, du poids et du coût des chambres de combustion permettra de réduire les dimensions de l’ensemble du moteur et la consommation de carburant de l’avion. Elles pourront ainsi jouer un rôle clé dans le renforcement de la compétitivité européenne sur le marché des turbopropulseurs pour le transport aérien de petite taille (SAT pour small air transport) desservant l’aviation d’affaires, les services d’incendie et de secours, les évacuations médicales et les régions éloignées. Le projet START, financé par l’UE, a validé une des nouvelles chambres de combustion annulaires prometteuses de l’Europe, fruit d’innovations en matière de fabrication, de test et de modélisation.

Une valeur ajoutée grâce à la fabrication additive

Les chemises métalliques intérieures et extérieures qui confinent la zone de combustion annulaire sont généralement refroidies par une architecture de gestion de la chaleur à deux couches. La fabrication additive (ou impression 3D) a ouvert un nouveau créneau d’opportunité pour la réduction des coûts, du poids et de la complexité. Claudio Abbondanza, qui travaille chez Avio Aero où il est responsable du sujet START, explique: Bien qu’il ait été difficile de réaliser la forme de trou appropriée et un flux efficace, la fabrication additive nous a permis de créer des perforations multi-trous uniques très efficaces pour le refroidissement. Cela a permis la création d’une conception robuste à une seule couche, dont le coût et le poids ont été réduits grâce à la diminution du nombre de soudures.»

Innovations en matière de test et de simulation

Les mesures expérimentales effectuées sur une chambre de combustion conçue entièrement par fabrication additive dans les conditions réelles du moteur ont fait appel à plusieurs approches pionnières. «Le revêtement à historique thermique innovant de Sensor Coating Systems (SCS) appliqué à la chemise a fourni 3 000 points de température avec une précision d’environ 1 °C, contre 30-40 °C pour les peintures standard. Cela a permis d’obtenir des cartes 2D inédites de la température maximale du métal», explique Antonio Andreini, coordinateur du projet START à l’université de Florence. Claudio Abbondanza ajoute: «Notre première utilisation de la technologie de revêtement à historique thermique de SCS a été un énorme succès, prouvant son utilité pour les futurs tests de validation des chambres de combustion.» Les ingénieurs ont développé une sonde rotative pour mesurer les émissions de gaz d’échappement et la température dans le plan 2D de la sortie de la chambre de combustion, fournissant ainsi une distribution 2D complète. Giulio Grassi, directeur de Sesta Lab où la chambre de combustion a été validée, conclut: «Nous avons créé un nouveau marché pour nos installations d’essais industriels à Sesta Lab avec la réussite des tests annulaires complets de petites chambres de combustion de moteurs d’avions alimentées en combustibles liquides.» Les expériences appuient les modèles et vice-versa. Lorsqu’il s’agit de modéliser le transfert de chaleur complexe entre les solides et les fluides en réaction dans une chambre de combustion, les approches classiques de mécanique des fluides numérique (MFN) peuvent se révéler laborieuses en termes de calcul, tout en manquant de précision. Le groupe Heat Transfer and Combustion (site web en italien) de l’université de Florence (UniFl), institution hôte coordinatrice du START, a développé U THERM3D pour modéliser avec précision le transfert de chaleur dans les chambres de combustion des moteurs d’avion conjugué avec des fonctionnalités dédiées pour gérer les configurations de refroidissement à trous multiples. La méthodologie MFN multi-physique basée sur la simulation de grands tourbillons basé sur Ansys Fluent a été validé au regard de la documentation et des données de test.

Un système validé, prêt pour d’autres

Le projet START a permis de valider la chambre de combustion annulaire à chemise unique innovante produite par fabrication additive pour le marché des SAT. Tout aussi important, START a fourni une série d’outils et une configuration de test approuvée pour accélérer la commercialisation de futurs concepts de chambres de combustion annulaires extrêmement compactes.

Mots‑clés

START, chambre de combustion, annulaire, fabrication additive, turbopropulseur, SAT, revêtement à historique thermique, MFN, petit transport aérien, mécanique des fluides numérique

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