Etude de conception aérodynamique des aubages : Application à un compresseur axial.

Abstract

La conception des aubages de turbomachines est une étape fondamentale dans l’étude énergétique de ces machines ainsi que dans leur réalisation. En effet, une bonne conception des aubages (géométrie, dimensions, …) conduit à un fonctionnement optimal des turbomachines en termes de performances énergétiques et durée de fonctionnement. L’aspect aérodynamique est l’un des aspects les plus importants qu’il faut tenir en compte lors de la conception des aubages. L’objectif principal de ce travail réside dans la compréhension et la maîtrise des différents paramètres de conception géométrique et dimensionnelle, d’aspect aérodynamique, des aubages de turbomachines et en particulier celles d’un compresseur axial. L’application de la démarche de conception proposée a permis d’une part la connaissance du profil aérodynamique NACA (qui est le plus utilisé) et ses différents aspects et critères, et d’autre part la caractérisation géométrique et dimensionnelle détaillée des aubages du compresseur axial choisie pour l’étude. Cette démarche a abouti à des valeurs proches des rendements (94% obtenu par le calcul analytique contre 87% tiré du tableau prédéfini) et ce malgré les hypothèses simplificatrices. La conception finale de l’aubage a permis aussi de présenter un exemple de simulation sur les logiciels Gambit-Fluent du comportement thermique et cinématique du compresseur axial. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les valeurs analytiques et celles de la simulation pour les paramètres choisis que sont les températures et les pressions statiques et totales et aussi les vitesses absolues au niveau de trois plans (entrée rotor, sortie rotor et sortie stator). L’erreur maximale enregistrée était de 7%. Enfin, ce travail a montré la grande importance de l’interaction des études analytique et de simulation dans la bonne conception d’une machine et la prédiction de son comportement. Mots clés : Conception des aubages – Profil Aérodynamique – Profil NACA – Compresseur axial – Simulation de l’écoulement – Logiciels Gambit et Fluent. IX ملخص يعد تصميم شفرات اآلالت التوربينية مرحلة أساسية في دراسة الطاقة لهذه اآلالت، وكذلك في بنائها. يؤدي التصميم الجيد للشفرات )الهندسة واألبعاد وما إلى ذلك( إلى التشغيل األمثل لآلالت التوربينية من حيث أداء الطاقة ووقت التشغيل. تعتبر الديناميكا الهوائية أحد أهم الجوانب التي يجب أخذها في االعتبار عند تصميم الشفرات. الهدف الرئيسي من هذا العمل هو فهم والتحكم في مختلف معلمات التصميم الهندسي واألبعاد والجوانب الديناميكية الهوائية لشفرات اآلالت التوربينية، تلك الخاصة بضاغط التدفق ً خاصة المحوري. من خالل تطبيق نهج التصميم المقترح، تمكنا من التعرف على المظهر الجانبي الديناميكي الهوائي NACA( وهو األكثر استخداماً( وجوانبه ومعاييره المختلفة، وإجراء توصيف هندسي وأبعاد مفصلة لشفرات الضاغط المحوري المختار للدراسة. أدى هذا النهج إلى قيم قريبة من الكفاءة )%94 تم % مأخوذة من الجدول المحدد مسبقً الحصول عليها من خالل الحساب التحليلي مقارنة بـ 87 ا(، على الرغم من االفتراضات المبسطة. أتاح التصميم النهائي للشفرات أي ًضا تقديم مثال للمحاكاة باستخدام برنامج Fluent-Gambit للسلوك الحراري والحركي للضاغط المحوري. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها ارتباطً بتة والكلية، وكذلك ا جيدًا بين القيم التحليلية وقيم المحاكاة للمعلمات المختارة، أي درجات الحرارة والضغط الثا السرعات المطلقة في ثالثة مستويات )مدخل الدوار ومخرج الدوار ومخرج الجزء الثابت(. بلغ الحد األقصى للخطأ المسجل .%7 أخي ًرا، أظهر هذا العمل األهمية الكبيرة للتفاعل بين الدراسات التحليلية والمحاكاة في التصميم الجيد لآللة والتنبؤ بسلوكها. الكلمات الرئيسية : تصميم الشفرة - المظهر الجانبي الديناميكي الهوائي - المظهر الجانبي NACA - الضاغط المحوري - محاكاة التدفق - برنامج Gambit و Fluent. X Abstract The design of turbomachinery blades is a fundamental step in the energetic study of these machines, as well as in their realization. Good blade design (geometry, dimensions, etc.) leads to optimal turbomachinery operation in terms of energy performance and uptime. Aerodynamics is one of the most important aspects to be taken into account when designing blades. The main objective of this work is to understand and control the various parameters involved in the geometric and dimensional aerodynamic design of turbomachinery blades, and in particular those of an axial-flow compressor. By applying the proposed design approach, we were able to learn about the NACA airfoil (the most widely used) and its various aspects and criteria, and to perform detailed geometric and dimensional characterization of the blades on the axial compressor chosen for the study. This approach resulted in values close to the efficiencies (94% obtained by analytical calculation versus 87% taken from the predefined table), despite the simplifying assumptions. The final blading design was also used to present a Gambit-Fluent simulation of the thermal and kinematic behavior of the axial compressor. The results obtained showed a good correlation between analytical and simulation values for the selected parameters of static and total temperatures and pressures, as well as absolute speeds in three planes (rotor inlet, rotor outlet and stator outlet). The maximum error recorded was 7%. Finally, this work has shown the great importance of the interaction of analytical and simulation studies in the proper design of a machine and the prediction of its behavior. Key words : Blade design - Aerodynamic profile - NACA profile - Axial compressor - Flow simulation - Gambit and Fluent software.