Les contraintes induites et les paramètres influents

Influence de la plateforme du carénage

En effet, la plateforme de carénage joue un rôle essentiel dans l’efficacité aérodynamique de la pale. Ainsi plus elle est grande plus le gain en efficacité est grand, mais aussi plus le volume du carénage est important et plus les contraintes mécaniques dans la pale sont importantes. Le développement sur l’anatomie de l’écoulement de fuite a permis de mettre en exergue les régions les plus importantes à couvrir, c’est-à-dire les régions à forte création d’entropie. Ces régions correspondent à l’espace de la gorge de passage où la vitesse du fluide est plus importante et le différentiel de pression l’est d’autant (« Throat », Figure 1.2). L’objectif est donc de couvrir au maximum cette gorge, ce qui induit donc d’avoir plus de matière du côté du bord de fuite. C’est pourquoi les conceptions récentes de carénage de pale proposent des solutions plus optimisées afin d’amoindrir la masse de cette pièce : des carénages partiels dont certaines extrémités ayant un impact faible sur l’apport aérodynamique du carénage ont été retirées (Figure 1.17 gauche). Figure 1.17 Deux géométries de plateforme de carénages différentes Tirée de Belousov & Nazdrachev (2016) Certaines recherches ont donc comparé l’efficacité entre un carénage minimal, optimisé et complet, afin de mettre en exergue l’intérêt d’un carénage optimisé (Porreca, Kalfas, & Abhari, 2008 ; Nirmalan et Bailey, 2005). Une première étude a comparé trois formes de carénage (Porreca, Kalfas, & Abhari, 2008) (Figure 1.18) : complet (a), minimale (b), et optimisé (c), cette dernière géométrie couvre davantage le bord de fuite par rapport au carénage minimale. Les résultats CFD sont présentés sur la Figure 1.19.

Dans le cas du carénage complet (a) les lignes de courant de l’écoulement de fuite se linéarisent rapidement après le mélange des deux écoulements, contrairement au cas minimal (b), où le mélange perturbe beaucoup plus l’écoulement principal avec plus grande région à forte création d’entropie. Enfin le carénage optimisé présente une région de mélange plus confiné à la sortie du carénage comparé à la configuration minimale. Figure 1.19 Ligne de courant de l’écoulement de fuite, la couleur indique l’augmentation d’entropie Tirée de Porreca et al. (2008) Ces observations sont confirmées par les résultats d’efficacité de la Figure 1.20. Les résultats montrent qu’une géométrie optimisée du carénage partiel ne présente qu’une pénalité d’efficacité par rapport au carénage complet de 0,5 %, contre 1,1 % pour une géométrie minimale, par rapport au cas de référence qui est le carénage complet. Figure 1.20 Impact des différentes configurations de carénage sur l’efficacité, ayant comme référence le cas du carénage complet Tirée de Porreca et al. (2008) Une seconde recherche a, de même, jeté son dévolu sur l’analyse de l’intérêt d’un carénage optimisé (Nirmalan et Bailey, 2005). Comme précédemment, ils ont comparés différentes formes de carénage (Figure 1.21) : un carénage minimal (« deep scalloping »), un carénage optimisé (« medium scalloping »), et un carénage complet (« no scalloping »). Les résultats d’expérience sont présentés sur la Figure 1.22, où les pertes totales de pression sont représentées en fonction de la taille du jeu. On constate que plus le jeu est faible plus l’intérêt d’un carénage complet est évident, toutefois les pertes de pression sont plus faibles pour le carénage optimal par rapport au carénage minimal, ce qui corrobore les résultats précédents (Porreca et al., 2008). Figure 1.22 Perte de pression totale en fonction de la taille du jeu pour les trois géométries de carénage Tirée de Nirmalan et Bailey (2005) Ces diverses analyses comparatives permettent de conclure quant à l’intérêt d’un carénage partiel optimisé. En effet, en couvrant la zone stratégique d’un point de vue aérodynamique, le rapport entre l’apport aérodynamique et les contraintes associées (à la présence du carénage) peut être optimisé.

Les ailettes : leur rôle et paramètres influents

Les ailettes du carénage permettent d’obstruer le passage de l’écoulement de fuite dissipant ainsi une partie de son énergie et par conséquent réduisant les pertes de mélange (Figure 1.23). A mesure que le flux traverse les ailettes des vortex se forment dissipant l’énergie du fluide. Cela se traduit aussi dans la valeur du rapport entre la pression totale d’entrée et la pression totale réelle qui diminue. Figure 1.23 Différents aspects sur le flux de fuite à travers les trois ailettes, « pt_rel » : pression totale réelle, « pt0 » : pression de stagnation en entrée Tirée de Liu et al. (2016) Leur nombre peut varier, cependant au-delà de deux ailettes l’apport aérodynamique d’une ailette supplémentaire est limité par rapport à l’apport de masse. Ainsi lorsque le carénage de pale s’est développé, il supportait jusqu’à 5 ailettes, puis suite à différentes analyses aérodynamiques, il a été conclu que au-delà de 3 ce n’était plus intéressant (Xu, Bo, Hongde, & Lei, 2015 ; Belousov & Nazdrachev, 2016). Abou-Salem (2016) a étudié l’influence du nombre d’ailettes, de la taille du jeu sur l’écoulement de fuite, et l’impact d’avoir des ailettes inclinées ou non, étagées ou non (Figure 1.24). Les résultats (Figure 1.25) recoupe l’affirmation précédente, c’est-à-dire que au-delà de 2 ailettes l’apport aérodynamique n’est plus intéressant au regard de l’ajout de masse. Aussi on remarque l’intérêt d’ailettes étagées et l’intérêt d’avoir le jeu le plus faible possible. Figure 1.25 Variation de l’efficacité en fonction du débit massique de l’écoulement de fuite pour des ailettes inclinées Tirée de Abou-Salem (2016) En obstruant le passage du fluide, le carénage offre donc un gain aérodynamique à la pale. La taille de la plateforme est importante afin de bloquer le fluide au point stratégique, cependant elle doit être judicieusement conçue afin d’allier apport aérodynamique et ajout de masse. Le fluide traversant le carénage voit son énergie dissipée par la formation de vortex lié à la présence des ailettes. Toutefois la présence du carénage augmente les contraintes mécaniques dans la pale.

Les contraintes induites et les paramètres influents

Les contraintes subies par la pale sont de nature diverse, mais ce sont les contraintes induites par les effets centrifuges qui vont avoir les conséquences les plus critiques. Malgré ses avantages diverses, la présence du carénage génère des contraintes, dont deux sont prépondérantes : la contrainte induite par le contact entre les faces de deux carénages successifs (zone A, Figure 1.26) et la concentration de contraintes dans le rayon de jonction entre la pale et le carénage (zone B, Figure 1.26). Figure 1.26 Région des contraintes majeures dans le carénage d’aube Tirée de : gauche : Daverdin (1989), droite : Chandrasekhar et al., 1988) Concernant la contrainte dans le rayon de jonction, du fait de la complexité de la géométrie du carénage, il est difficile d’établir une équation permettant de calculer la valeur maximale de cette contrainte à partir des paramètres géométriques du carénage (Axelrad & Jaeger, 1965). Cependant, cette contrainte est directement proportionnelle à la taille du carénage puisqu’elle est causée par la flexion de la surface de carénage en porte-à-faux sous les effets centrifuges (Belousov & Nazdrachev, 2016 ; Chandrasekhar et al., 1988). Ainsi, l’objectif d’augmenter la taille du carénage en vue d’augmenter son efficacité aérodynamique est en contradiction avec la réduction de cette contrainte. Suite à une analyse photo élastique de la contrainte dans le rayon de jonction (Chandrasekhar et al., 1988), la capacité de réduction de cette contrainte grâce à l’augmentation du rayon a été mise en avant : pour un rayon variant de 2.8 à 6 millimètres, la contrainte est réduite de 34%, pour un carénage complet.

Toutefois l’augmentation de la taille du rayon ajoute de la masse et engendre donc l’augmentation des contraintes dues aux effets centrifuges subies par la pale. Des optimisations ont été effectuées sur le carénage, ayant pour objectif la maximisation de l’efficacité aérodynamique et la minimisation de la masse totale de la pale, en donnant un coefficient prépondérant à l’aspect aérodynamique (Hu, Mao, Wang, Jia, & Song, 2016). Parmi l’ensemble des contraintes considérées dans cette optimisation s’y trouve notamment la contrainte mécanique équivalente dans la jonction entre la pale et le carénage. Néanmoins, la valeur du rayon de jonction ne fait pas parti des paramètres variables. Une partie des résultats d’optimisation est présentée sur la Figure 1.27. Figure 1.27 Résultats d’optimisation pour une pale carénée Tirée de D. Hu et al. (2016) Dans l’ensemble des paramètres ayant été modifiées, la taille de la plateforme du carénage a été augmentée. Ainsi, l’optimisation de la géométrie résulte en l’augmentation de la contrainte dans la jonction (σjoint), l’augmentation de l’efficacité aérodynamique (η), et la diminution de la masse totale (mt). Ces résultats sont intéressants mais à mettre en perspective avec le temps qu’elle a pris : 120 heures au total.