Conception des rotors

On présente dans ce chapitre les deux rotors et le stator utilisés dans cette étude. La méthode de conception utilisée est rappelée en premier lieu. Cette méthode est ensuite appliquée à la conception de l’étage rotor-stator RS. Enfin, on décrit la méthode de conception employée pour le deuxième rotor de l’étage RR.Le tableau 2.1 montre les caractéristiques du rotor amont, R1 du stator, S et du rotor aval, R2. Le diamètre du conduit est de D=380 mm et celui des rotors est de Dr=375 mm, ce qui représente un jeu radial relativement faible de 1.88% par rapport à la hauteur defixée à 260 Pa et pour le rotor aval avec pré-rotation du premier, à 160 Pa 1. La vitesse de rotation de conception est autour de 2000 rpm. Ces ventilateurs sont très proches de ce qu’on pourrait trouver dans les systèmes de refroidissement de voiture, habituellement en plastiques. Dans la présente étude, les deux ventilateurs et le stator sont fabriqués en aluminium pour garantir une rigidité des pales et éviter toute influence due à la déformation des pales en rotation.Le rotor amont étant défini, il faut à présent définir le travail que doit fournir le stator et le rotor aval pour les étages rotor-stator, RS et contrarotatif, RR. Pour l’étage RS, le stator n’a pour unique but que de redresser l’écoulement et augmenter la pression statique en agissant comme un diffuseur. Cette augmentation s’effectue en transformant l’énergie contenue dans la pression dynamique relative à la composante tangentielle de la vitesse, en pression statique, comme l’illustrent les triangles de vitesses de la figure 2.1. En définissant le rotor amont, on fixe la diffusion maximale que peut réaliser le stator.

Dans le cas d’un étage contrarotatif, le rotor aval ne fait pas que convertir de l’éner-gie dynamique en énergie statique. Il fournit un travail supplémentaire à l’écoulement proportionnel à sa vitesse de rotation, comme le montre la figure 2.2. C’est un degré de liberté supplémentaire que permet d’avoir un étage RR en modifiant la vitesse de rota- tion de R2. Ainsi, il est possible de répartir le travail entre les deux rotor de sorte que R2 soit plus chargé, moins chargé ou aussi chargé que R1. Dans le cadre de cette étude, et en s’appuyant sur l’étude bibliographique du chapitre 1, le rotor aval est conçu moinschargé que le rotor amont. Ce choix se justifie par l’hypothèse selon laquelle un rotor relativement chargé soumis à des perturbations et fluctuations 2 serait plus sensible à ces perturbation qu’un rotor moins chargé. Ainsi, comme on peut le voir sur le tableau 2.1, la répartition du travail est environ 60% pour le rotor amont et 40% pour le rotor aval. De plus, on suppose que l’écoulement entrant dans le rotor aval est égal à celui sortant du rotor amont, ce qui se traduit par les mêmes angles et les mêmes vitesses tangentielles pour chaque rayon. Pour faciliter la conception de R2, la vitesse tangentielle en sortie de R1 est imposée constante dans la direction radiale (vortex constant) 3. Enfin, l’écou- lement sortant de l’étage contrarotatif, tout comme celui sortant de l’étage rotor-stator, est imposé purement axial lors de la conception.

Le code de conception « Mixed-Flow Turbomachinery 3D », MFT, developpé au seindu laboratoire « DynFluid » est très largement basé sur les travaux de thèse de Rey [5] visant à établir une méthode générale de conception d’un étage de turbomachine axiale de compression. Cette méthode est le fruit d’une étude statistique mise au point à partir d’un très grand nombre d’essais et de mesures déjà disponibles à l’époque sur les profils de type NACA [4]. On rappelle ici de manière très synthétique les grandes lignes et les résultats de ces travaux qui ont été poursuivis par la suite, notamment par Bakir [6], pour aboutir au code actuel de MFT. Le but de ces travaux était de « mettre au point une méthode rapide et globale de détermination au détriment de la précision de chaque phénomène ». Plus particulièrement, « cette méthode constitue un pont entre ces deuxmondes 4 très isolés 5, permettant d’utiliser les résultats les plus utiles de l’aérodynamique pour les calculs de machines monoétagées et peu chargées telles qu’on les construit en hydraulique et en aéraulique ». Bien évidemment, cette simplification au détriment de la précision est bien encadrée par un certain nombre d’hypothèses délimitant le domaine d’utilisation de cette méthode et qu’il faut garder à l’esprit. Le code a été par la suite amélioré en proposant de nouvelles lois et en vérifiant celles déjà établies sur d’autres séries de profils.