L'installation BATHIRE Banc AéroTHermique d'Investigation en Rotation des Ecoulements
Depuis le milieu des années 80, le DEFA se consacre à l'étude des effets de la rotation sur l'organisation de l'écoulement et des échanges thermiques dans les canaux de refroidissement des aubes de rotor de turbine aéronautique.
Cette étude qui a évolué au fil du temps, s'appuie sur une approche expérimentale qui met en ouvre un banc d'essai : l'installation Bathire. Ce nouveau moyen qui prend le relais du banc Merci a été spécialement développé afin d'utiliser les outils modernes de diagnostic optique que sont la thermographie infrarouge pour la mesure des températures de surface, l'Anémométrie Laser Doppler 3D ou la PIV pour la mesure des champs de vitesse de l'écoulement.
Canal en rotation
cadre du projet
Le problème de l'équilibre thermique des aubes de turbine refroidies intéresse le DEFA depuis de nombreuses années. L'enjeu est la maîtrise et l'optimisation des paramètres de cet équilibre : il passe par l'étude des écoulements externe chaud et interne tiède.
Forces agissantes en rotation
Les écoulements internes présents dans les cavités de refroidissement des aubes de turbine ont pour caractéristiques principales d'être turbulents et tridimensionnels. Ceci découle des géométries complexes choisies afin d'accroître le niveau des échanges thermiques. En ce qui concerne les aubes de rotor, la rotation, au travers des efforts centrifuges et de la force de Coriolis, a un effet sur l'organisation de l'écoulement et donc sur le niveau des échanges thermiques convectifs aux parois (voir figure ci-dessus).
Dans un premier temps, l'approche expérimentale conduite à l'Onera a permis, sur la base des seules mesures thermiques (évaluation du flux de chaleur convectif à la paroi), de constater les effets de la rotation et d'avancer des hypothèses sur l'organisation de l'écoulement correspondant. Ces mesures ont également permis d'établir des formules de corrélation donnant le niveau de l'échange thermique en fonction du nombre de Reynolds de l'écoulement et du nombre de Rossby qui rend compte de la rotation. Ces corrélations ont été pendant longtemps l'outil de dimensionnement utilisé par les industriels.
Dans un deuxième temps et en profitant des progrès enregistrés dans le domaine de l'anémométrie optique : Anémométrie Laser Doppler puis PIV, l'exploration du champ de vitesse de l'écoulement dans le canal en rotation a été tentée avec succès dans le but de documenter une base de données nécessaire à la validation des codes de calcul des écoulements internes en cours de développement à l'Onera. L'expérience acquise à cette occasion place l'Onera de manière très favorable parmi les quelques laboratoires qui dans le monde mettent en ouvre l'anémométrie optique. En effet, l'observation d'un écoulement dans un mobile en rotation pose des problèmes techniques difficiles à résoudre, au nombre desquels celui de l'ensemencement de l'écoulement est des plus complexe à maîtriser.
Ayant mis en ouvre successivement l'Anémométrie Laser Doppler 3D et la PIV 2D, un net avantage est à accorder à la PIV qui fournit des champs de vitesse de l'écoulement avec un gain de temps considérable et avec une densité de points de mesure qui devient très comparable à celle des champs équivalents obtenus par la simulation numérique. En conséquence, l'installation Bathire a été spécialement conçue pour utiliser l'outil de mesure PIV en multipliant les accès optiques à une maquette de canal à plus grande échelle Dh = 50 mm.
site d'implantation et architecture générale
Installation BATHIRE : vue d'ensemble.
L'installation Bathire (voir figure ci-dessus) qui est implantée sur le site de Palaiseau de l'Onera est indépendante des grosses sources de fluide et d'énergie disponibles sur le site à l'exception de son alimentation en air assurée par le circuit d'air haute pression (250 bars).
Installation BATHIRE : canal étudié.
L'élément de base du banc est le canal étudié. Il est constitué de deux branches radiales à section évolutive pour un diamètre hydraulique constant de Dh = 50 mm; elles sont reliées en périphérie par un retournement à 180° (voir figure ci-dessus). Trois des faces sont transparentes dans le visible et dans l'infrarouge pour permettre les accès optiques à l'écoulement et à la quatrième face métallique chauffante. Certaines des parois internes peuvent être munies de perturbateurs.
Installation BATHIRE : détail de la partie tournante.
Le canal d'étude et son contre-poids diamétralement opposés (voir figure ci-dessus), sont solidaires d'un arbre horizontal entraîné en rotation par un moteur électrique à vitesse variable contrôlée. L'ensemble arbre-canal tourne dans un carter métallique qui assure les fonctions d'anti-projection et d'écran acoustique.
Ce carter comporte des accès optiques destinés à l'anémométrie optique ainsi qu'à la mesure de température par thermographie infrarouge.
Le système de pilotage et d'acquisition des données du banc est autonome, il est bâti autour d'un micro ordinateur de type PC.
Le débit d'air de refroidissement la vitesse de rotation et la température de chauffage variables, permettent d'explorer une vaste gamme des nombres de Reynolds de Rossby et de Grasshof.
paramètres principaux
La maquette de canal à grande échelle tourne dans un plan vertical en décrivant un cercle dont le diamètre en périphérie fait environ 2 m.
La partie tournante de l'installation repose sur un massif de béton de 25 tonnes qui assure la stabilité de l'ensemble. Ce massif est isolé de la structure du bâtiment afin de ne pas transmettre d'éventuelles vibrations.
Le moteur assurant la rotation a une puissance de 35 kW, il est alimenté en courant alternatif de 220 V et sa vitesse de rotation est variable jusqu'à 2500 tr/mn. Grâce à une démultiplication, la vitesse maximale de rotation de la maquette est de 1000 tr/mn.
Le débit d'air de refroidissement à la température et la pression ambiante est réglable et contrôlé jusqu'à une valeur de 150 g/s.
Dans ces conditions les grandeurs adimensionnées principales prennent les valeurs suivantes :
