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Dveloppement dun prototype SIPDA (Scavenge Integrated Pump and DesAerator) en eau et de son banc dessaiPromoteur de DEA : Hendrick Patrick

Universit Libre de Bruxelles Facult des Sciences Appliques Service dAro-Thermo-Mcanique Anne acadmique 2006-2007

Travail de spcialisation prsent par Gruselle Franois en vue de lobtention du Diplme dEtudes Approfondies

Je tiens remercier particulirement

Patrick Hendrick pour son encadrement et son soutien, Grgory Saive pour sa collaboration, Adnane Benziane pour son aide au quotidien, Raphal de Bisschop pour ses travaux dusinage, Karim Fachouche pour ses essais sur les sparateurs, Christophe Riga pour ses conseils aviss et sa bonne humeur quotidienne, Yves Detandt pour son aide et sa prcieuse connaissance du systme informatique, le service dAro-Thermo-Mcanique pour leur acceuil chaleureux.

Table des matires1 Introduction 1.1 Cadre du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Objectifs : aspects gnraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Objectifs : aspects dtaills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Recherches bibliographiques 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Les coulements diphasiques : notions essentielles . . . 2.3 Le pompage dcoulements diphasiques . . . . . . . . . 2.4 La cavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Les techniques de sparation dcoulements diphasiques 2.5.1 Les sparateurs par pesanteur . . . . . . . . . . 2.5.2 Les sparateurs centrifuges . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Les liminateurs de brouillard . . . . . . . . . . 2.5.4 Les sparateurs aubes (ou cloisons) . . . . . 2.5.5 Les sparateurs cartouches . . . . . . . . . . . 1 1 1 3 4 4 5 7 9 12 12 12 12 12 13 15 15 16 16 18 19 21 24 24 26 29 30 31 31

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3 Etudes exprimentales 3.1 Introduction - cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Le banc dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Le circuit dentre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 La sortie "eau" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 La sortie "Air" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Le systme dacquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Les prototypes SIPDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Le premier prototype : pompe centrifuge . . . . . . . . 3.3.2 Les essais en liquide pur du premier prototype . . . . . 3.3.3 Les essais en mlange diphasique du premier prototype 3.3.4 Le second prototype : pompe hlico-radiale . . . . . . . 3.4 Lecacit des sparateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 La cuve de dcantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

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TABLE DES MATIRES 3.4.2 Le tube vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii 32 33 33 34 36 36 36 37 38 39 39 41 41 45 45 45 49 51 53 54 55

4 Simulations numriques 4.1 CD-Adapco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Le maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 La mthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Le solver et le modle de turbulence . . . . . . . . 4.3.2 Le uide incompressible monophasique . . . . . . 4.3.3 Rotating Reference Frame . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Les conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . 4.4 Les rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Comparaison entre le uide de densit moyenne et 4.4.2 Comparaison entre les deux vitesses de rotation . 4.4.3 Prol de vitesse dans un canal interaube . . . . . 4.4.4 Sparation des deux phases . . . . . . . . . . . . 4.4.5 Rsultats supplmentaires . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Conclusions et perspectives Bibliographie A Schma du tube vortex B Caractristiques dhuiles de lubrication C Caractristiques du dbitmtre pour leau

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . leau . . . . . . . . . . . . . . .

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Table des gures1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 4.1 4.2 4.3 4.4 Principe de la lubrication des paliers . . . . . . . . . . . . . . . . . Les dirents rgimes dcoulements en conduite . . . . . . . . . Illustration du phnomne de cavitation dans le cas dune hlice Illustration du phnomne drosion li la cavitation . . . . . . Exemple de mousse mtallique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemple de sparateur cloisons . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemple de sparateur cartouches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 6 10 11 13 13 14 16 18 18 19 20 21 23 25 26 27 28 28 29 31 35 35 38 40

Schma de lenceinte de mlange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photo de lenceinte de mlange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma du principe de la dcantation . . . . . . . . . . . . . . . . . Cuves utilises pour la dcantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma du principe du tube vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photo du tube vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma densemble du banc dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma dune pompe centrifuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photo du premier prototype et de son moteur dentranement . . . . Premier prototype SIPDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schma de la rpartition des uides dans le SIPDA . . . . . . . . . Caractristique du premier prototype SIPDA (eau pure, 1000 tr/min) Essai en mlange diphasique du premier prototype SIPDA . . . . . Schma du nouveau prototype SIPDA - pompe hlico-radiale . . . . Le maillage uide modlisant la gomtrie du premier prototype SIPDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cellules "baes" reprsentant les parois mobiles du SIPDA . . . . . Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation en eau : champ de vitesse absolue 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

TABLE DES FIGURES 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 Simulation avec le uide moyen : champ de vitesse absolue 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation en eau : champ de pression statique 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ de pression statique 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation en eau : champ de pression totale 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ de pression totale 3000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation en eau : champ de vitesse absolue 1000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation en eau : champ de pression totale 1000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ de vitesse absolue 1000 tr/min (vue en coupe dun canal interaube) . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ de vitesse relative 1000 tr/min (vue en coupe dun canal interaube) . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ de pression statique 3000 tr/min (vue en coupe de larrire du rouet) . . . . . . . . . . . . . . Simulation avec le uide moyen : champ dnergie cintique turbulente 1000 tr/min (vue en coupe du rouet) . . . . . . . . . . . . .

iv

40 42 42 43 43 44 44 46 46 47 47 53 54

A.1 Schma du tube vortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.1 Proprits de direntes huiles de lubrication pour turboracteurs

Table des symbolesp T r m Q v u PR Pt 1 2 r2 : pression statique : temprature statique : masse volumique : constante spcique de lair : fraction de vide : ecacit : dbit massique : dbit volumique : vitesse absolue : vitesse dentrainement : puissance fournie par la roue : pression totale : angle entre la vitesse absolue et la vitesse dentranement lentre de la roue : angle entre la vitesse absolue et la vitesse dentranement la sortie de la roue : vitesse angulaire du rouet : rayon de sortie du rouet

v

Chapitre 1 Introduction1.1 Cadre du projet

Ce projet est ralis en vue de lobtention dun Diplme dEtude Approfondie (DEA) en Sciences Appliques. Il sinscrit dans le cadre dune collaboration entre le Service dAro-Thermo-Mcanique de lUniversit Libre de Bruxelles et Techspace Aro en vue de dvelopper et doptimiser un systme de lubrication innovant pour le futur turboracteur LEAP 56 (successeur du turboracteur civil CFM56). La consommation dhuile tant un paramtre majeur limitant lautonomie des avions actuels, loptimisation du systme de lubrication relve donc dun intrt crucial en aviation civile.

1.2

Objectifs : aspects gnraux

Lobjectif global de cette collaboration est de diminuer lencombrement et la masse du systme de lubrication et daugmenter son ecacit. De manire gnrale, le systme dhuile sert fournir la lubrication et le refroidissement aux paliers et aux roulements supportant larbre moteur, ainsi quaux botes dengrenages entranant les dirents accesoires. Pour ce faire, le circuit dhuile est spar en trois circuits distincts : le circuit dalimentation et dinjection dhuile (oil supply circuit) comprenant le rservoir dhuile, une pompe dalimentation et un ltre, le circuit de rcupration dhuile (oil scavenge ci