L'Onera et les micro sources d'énergie : la micro turbine à gaz Projet d'Etude Amont (PEA) : étude de briques technologiques
Dans un premier temps, grâce au soutien de la DGA dans le cadre d'un PEA, l’Onera a pu entamer l’étude de la micro turbine à gaz en concentrant ses efforts sur trois briques technologiques, c’est-à-dire des points clé, en terme de technologie ou de savoir faire scientifique, qu’il s’agit de maîtriser afin de pouvoir développer une micro turbine à gaz :
la micro combustion, source d’énergie de la micro turbine à gaz
le système de guidage adapté aux très hautes vitesses de rotation
la micro fabrication MEMS
Lors de cette première phase, seuls deux départements de l’Onera étaient impliqués : le Département d’Energétique Fondamentale et Appliquée (DEFA) et le Département d’Aérodynamique Appliquée (DAAP). Deux partenaires extérieurs ont également été sollicités : l’université polytechnique de Lodz (Pologne), en ce qui concerne le système de guidage très haute vitesse, et la société SilMach pour le développement des méthodes de micro fabrication MEMS. Ces études ont débouché sur un certain nombre de réalisations, aussi bien au niveau expérimental que théorique, dont voici quelques exemples :
Micro combustion :
Première micro chambre de combustion en fonctionnement (volume : 850 mm3).
Simulation numérique à l’aide d’un code Onera (CEDRE) de la combustion H2-air dans la première micro chambre.
L’étude de la combustion dans les petits volumes (ou micro combustion) a été menée autant sur le front expérimental que sur le front numérique. En effet, une micro chambre a été conçue, fabriquée et testée a travers plusieurs campagnes d’essais pour la combustion H2-air. Dans ce cadre, un banc d’essais spécifique a été mis au point et réalisé.
En parallèle, des calculs de simulation numérique 3D ont été menés afin de mieux comprendre et analyser la structure de l’écoulement et de la combustion dans cette même micro chambre. Pour cela, c’est le code développé en interne par l’Onera, CEDRE, qui a été mis en œuvre.
Système de guidage adapté aux très hautes vitesses, paliers et butées aérodynamiques :
Paliers et butées aérodynamiques à échelle 5 : paliers à patins oscillants, butées à rainures spirales et banc de mise en rotation d'une turbine.
Compte tenu des très petites dimensions du compresseur et de la turbine, les vitesses de rotations de l’ensemble tournant doivent être extrêmement élevées, de l’ordre de 900 000 tours/min. A ces vitesses, aucun système de paliers et butées « classique » ne peut être mis en œuvre. C’est pourquoi un système de paliers et butées aérodynamiques a été étudié par l’Onera. Ce type de système utilise une très faible portion du débit d’air principal, afin de créer des forces aérodynamiques et ainsi sustenter les parties tournantes.
Une première étude a été menée à échelle 5. Un système de paliers et butées a ainsi été dimensionné, réalisé et testé à travers plusieurs campagnes d’essais concluantes. Notamment, la vitesse de 100 000 tours/min a été atteinte. Dans un second temps, une étude a été menée à échelle 1, pour un diamètre de turbine de 8 mm. L’ensemble des pièces, correspondant à la turbine à guider ainsi qu’aux paliers et butées, ont été usinées en Silicium. Ces dernières n’ont pu être testées qu’à faible vitesse, en partie à cause d’une tenue mécanique limitée du Silicium.
Micro fabrication MEMS, gravure profonde sur Silicium :
Réalisations en par gravure DRIE d’une roue de micro turbine (8 mm de diamètre) et des paliers et butées aérodynamiques associés.
Compte tenu des précisions d’usinage nécessaire à ces échelles, une méthode de micro fabrication utilisée en micro électronique a été exploitée. Il s’agit de la gravure physico-chimique DRIE du Silicium. Des profondeurs de gravures de 400 µm ont pu être atteintes, avec des rapports d’aspect exceptionnels. Finalement, un rotor de turbine de 8 mm de diamètre, ainsi que les paliers et butées correspondants ont pu être obtenus.
