MODÉLISATION DES PERTES MÉCANIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR

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Mesure de la puissance de frottement par décélération

Seume et al. [83] proposent une méthode empirique d’estimation des pertes par frottement des turbocompresseurs. La méthode consiste à mesurer la décélération du turbocompresseur. Les carters turbine et compresseur étant enlevés, le turbocompresseur est entraîné à une vitesse de 70000 tr.min-1 à l’aide de tuyères soufflant sur la roue de la turbine. Après avoir identifié les termes d’inertie et de frottement de l’air sur les roues, la mesure de la décélération et la résolu-tion de l’équation différentielle du régime qui fait apparaitre le couple de frottement, fournit alors la puissance de frottement en fonction du régime

Où N0 correspond à la valeur initiale à partir de laquelle le régime décélère. Cette méthode donne directement accès à la puissance de frottement en fonction du régime, mais elle nécessite la connaissance de données expérimentales qui dépendent à priori du turbocompresseur utilisé.

Mesures par gavage ou boucle fermée

Cette méthode consiste à effectuer les mesures dans les mêmes conditions adiabatiques que celles décrites dans la partie 1.6.2.2. En plus de cela, la sortie compresseur est reliée à son entrée afin de créer une boucle fermée et ainsi admettre un débit plus important. Cette technique per-met de balayer une plage plus large en terme de débit d’air, et obtenir ainsi plus de points pour calculer les pertes mécaniques à partir de la variation d’enthalpie du gaz ou même de l’huile.

Mesure des pertes mécaniques avec la méthode magnétique

Cette méthode [76] consiste à installer un aimant muni d’un vernier sur l’arbre du turbocom-presseur. Le vernier permet de mesurer la position et un capteur mesure l’effort appliqué sur l’aimant. L’ensemble est réversible et peut être monté pour appliquer un effort de traction ou de compression sur l’arbre du turbocompresseur. La Figure 1-52 présente le système magnétique d’effort axial monté sur le bâti du couple mètre. Le système d’effort peut être utilisé pour faire varier l’effort sur l’arbre du compresseur lors d’essais réalisés avec ou sans la roue du compres-seur. Pour des essais réalisés sans la roue du compresseur, la position de l’aimant fournit alors directement l’effort appliqué sur la butée. Lors d’essais sans la roue compresseur, le système de mesure de l’effort donne directement l’effort exercé sur la butée mais ce système nécessite un banc d’essai très spécifique.

Mesure des pertes mécaniques avec la méthode d’interpolation de Venson et Barros

Venson et Barros [30] proposent trois cas pour déterminer entièrement le champ turbocompres-seur. Le champ turbine mesuré est le champ débit avec les grandeurs caractéristiques comme la pression et la température. Ces grandeurs sont utilisées pour calculer le rendement mécanique du turbocompresseur en calculant la puissance fournie par la turbine et celle consommée par le compresseur. Un champ à faible régime où la turbine est alimentée par le compresseur radial. Ensuite, un champ à régimes intermédiaires où la turbine est entraînée par un compresseur ex-terne et par le compresseur radial. Enfin un champ de fonctionnement normal où la turbine entraîne le compresseur. Ceci permet de mieux prendre en compte le côté physique lors des interpolations d’un champ turbocompresseur fourni par le constructeur mais nécessite un mo-dèle semi-empirique basé sur l’équation de Reynolds pour pouvoir extrapoler les résultats.

Dans le domaine de l’extrapolation des courbes caractéristiques de fonctionnement des tur-bines de suralimentation automobile, la synthèse bibliographique fait ressortir les points sui-vants :

Du point de vue expérimental, les principales méthodes sont l’utilisation d’un banc turbocompresseur standard, le changement de la température d’air et de l’huile, l’uti-lisation du compresseur en boucle fermée, l’utilisation d’un compresseur extérieur pour alimenter la turbine, l’enlèvement de la volute du compresseur et le remplace-ment de sa roue par un disque sans aubages et enfin le remplacement du compresseur par un frein électrique et un dynamomètre.

Du point de vue modélisation de débit, on retiendra les modèles de Payri et al. [57] et de Serrano et al. [53], qui apparaissent comme les mieux adaptés au besoin de la présente étude.

Les transferts thermiques affectent le fonctionnement des turbocompresseurs et leurs caractérisations expérimentales. Il sera nécessaire de tenir compte de ce phénomène pour les prochaines études.

Pour les pertes mécaniques, une méthode expérimentale est retenue : la mesure de la variation de l’enthalpie du gaz. Et des modèles sont aussi retenus pour modéliser les pertes mécaniques au niveau de l’arbre en fonction du taux de détente, la température et la pression d’huile, le régime turbocompresseur, …

Installations expérimentales, instrumentation et incerti-tude de mesures

Ce chapitre présente les installations expérimentales utilisées dans ce travail. Elles sont re-groupées en 4 grandes catégories :

Le banc turbocompresseur classique.

Le banc turbocompresseur utilisé pour les essais de gavage compresseur. Le banc turbocompresseur avec le compresseur remplacé.

Le banc turbine électrique.

L’instrumentation de ces bancs d’essais est présentée dans ce chapitre ; à signaler que cer-taines modifications sont effectuées sur les bancs d’essais durant les expériences en gardant le montage principal.

Bien que les instruments de mesure soient sélectionnés et installés avec soin (choix de l’ap-pareil, gamme de mesure, précision, positionnement…), le niveau de précision est limité. Une analyse liée aux incertitudes de mesure est donc effectuée dans ce chapitre.

Table des matières

NOMENCLATURE
INTRODUCTION
1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 INTRODUCTION À LA SURALIMENTATION DES MOTEURS
1.1.1 OBJECTIFS ET MOYENS TECHNIQUES
1.1.2 LES TURBOCOMPRESSEURS
1.1.3 PRINCIPES GENERAUX
La turbine
Le compresseur :
1.2 EXTRAPOLATIONS EXPÉRIMENTALES DES CHAMPS TURBINE
1.2.1 PROCEDURE DE MESURE STANDARD
1.2.2 ETUDE EXPERIMENTALE DE VENSON ET BARROS
1.2.3 ETUDE EXPERIMENTALE DE OTOBE
1.2.4 ETUDE EXPERIMENTALE DE SCHARF
1.2.5 ETUDE EXPERIMENTALE DE FRELIN
1.3 MODÉLISATION DU DÉBIT DE TURBINES RADIALES
1.3.1 FONDAMENTAUX DE LA DYNAMIQUE DES GAZ : EQUATION DE BARRE DE SAINT
1.3.2 MODELES CFD
1.3.3 MODELES EMPIRIQUES DU DEBIT MASSE TURBINE
Modèle de Jensen
Modèles empiriques polynomiaux
Modèle de Canova
Comparaison des trois modèles
Modèle de Fang et Dai : développement de Taylor
Modèle de Fang : Modèle empirique compact
1.3.4 MODELES SEMI-EMPIRIQUES DU DEBIT MASSE TURBINE
Modèle de Payri (1996)
Modèle de Mseddi
Modèle de Serrano (2008)
Modèle de Chiong
Modèle de Martin
Modèle de Payri et Serrano (2012)
Modèle de Frelin
1.4 MODÉLISATION DU RENDEMENT TURBINE
1.4.1 MODELES EMPIRIQUES DU RENDEMENT TURBINE
Modèle de Jensen
Modèle d’Orksiz et Starwarz
Modèle d’Andersson
Modèle de Watson et Eriksson
Modèle d’Eriksson
Comparaison des modèles
Modèle de Fang et Xu : Développement de Taylor
1.4.2 MODELES SEMI-EMPIRIQUES DU RENDEMENT TURBINE
Modèle du rendement isentropique: Mseddi [52]
Modèle du rendement isentropique : Martin
Modèle de rendement isentropique : Payri
1.5 TRANSFERTS THERMIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR
1.6 PERTES MÉCANIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR : MODÈLES ET EXPÉRIENCES
1.6.1 MODELISATION DES PERTES MECANIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR
Modèle modifié de Phan-Thien et Tanner appliqué aux butées des
1.6.2 MESURES EXPERIMENTALES DES PERTES MECANIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR
Mesure de la variation d’enthalpie de l’huile
Mesure de la variation d’enthalpie du gaz
Mesures sans volute et ailettes compresseur
Mesures du couple de frottement avec un couple mètre rotatif
Mesure de la puissance de frottement par décélération
Mesures par gavage ou boucle fermée
Mesure des pertes mécaniques avec la méthode magnétique
Mesure des pertes mécaniques avec la méthode d’interpolation
2 INSTALLATIONS EXPÉRIMENTALES, INSTRUMENTATION ET INCERTITUDE
2.1 DESCRIPTION DU BANC D’ESSAIS TURBOCOMPRESSEUR
2.1.1 MONTAGE DU BANC TURBOCOMPRESSEUR CLASSIQUE
2.1.2 MONTAGE DU BANC TURBOCOMPRESSEURS GAVAGE
Montage du banc turbocompresseurs gavage en entrée compresseur
Montage du banc turbocompresseurs gavage en sortie compresseur
2.1.3 MONTAGE DU BANC TURBOCOMPRESSEURS AVEC LE COMPRESSEUR REMPLACE
2.1.4 MONTAGE DU BANC TURBINE ELECTROMECANIQUE
2.2 INSTRUMENTATION ET TRAITEMENT DES DONNÉES
2.3 GRANDEURS MESURÉES ET CALCULÉES
2.3.1 CARTOGRAPHIES TURBINE
2.3.2 CARTOGRAPHIES COMPRESSEUR
2.4 INCERTITUDES DE MESURE
2.4.1 SOURCES D’INCERTITUDES
2.4.2 L’INCERTITUDE DES MESURES UNIQUES
2.4.3 L’INCERTITUDE DES RESULTATS DE CALCUL
3 ETUDE EXPÉRIMENTALE
3.1 PRÉSENTATION DES TURBOCOMPRESSEURS ÉTUDIÉS
3.1.1 TURBOCOMPRESSEUR A GEOMETRIE FIXE : K9KGEN5
3.1.2 TURBOCOMPRESSEUR BI ETAGE M9TGEN4
Turbocompresseur M9Tgen4 HP
Turbocompresseur M9Tgen4 BP
3.1.3 TURBOCOMPRESSEUR A GEOMETRIE VARIABLE : KP39 VTG 426.18
3.2 MESURE EXPÉRIMENTALE DU DÉBIT MASSE TURBINE
3.2.1 MESURES SUR LE BANC TURBOCOMPRESSEUR CLASSIQUE
Débit masse turbine ; banc turbocompresseur classique à Te,turb=550°
Débit masse turbine ; banc turbocompresseur classique, conditions
Débit masse turbine ; banc turbocompresseur classique à Te,turb=300°
3.2.2 MESURES SUR LE BANC TURBOCOMPRESSEUR : GAVAGE COMPRESSEUR
Mesures sur le banc turbocompresseur : gavage entrée compresseur
Mesures sur le banc turbocompresseur : gavage sortie compresseur
3.2.3 MESURES SUR LE BANC TURBOCOMPRESSEUR : COMPRESSEUR REMPLACE
Compresseur remplacé : mesures avec le débitmètre côté turbine
Compresseur remplacé : mesures avec le film chaud côté turbine
Compresseur remplacé : turbine entrainée par le compresseur
3.2.4 MESURES SANS LA VOLUTE COMPRESSEUR
3.2.5 MESURES DE LA COURBE ENVELOPPE
3.2.6 MESURES SUR LE BANC TURBINE ELECTROMECANIQUE
3.2.7 CONCLUSION
3.3 MESURE EXPÉRIMENTALE DU RENDEMENT TURBINE
3.3.1 RENDEMENT ISENTROPIQUE TURBINE TOTAL-A-STATIQUE
3.3.2 RENDEMENT MECANIQUE DU TURBOCOMPRESSEUR :
3.3.3 RENDEMENT TURBINE :
3.4 EFFET DE LA TEMPÉRATURE D’HUILE
3.5 CALCUL DES INCERTITUDES :
4 MODÉLISATION
4.1 MODÉLISATION DU DÉBIT MASSE TURBINE
4.1.1 MODELE DEBIT TURBINE : PAYRI
4.1.2 MODELE DEBIT TURBINE : SERRANO
4.1.3 NOUVEAU MODELE DEBIT TURBINE 1:
Première partie : calcul des valeurs initiales
Deuxième partie : Calcul principal
Modèle turbine roue bloquée : courbe enveloppe 0 tr.min-1
4.1.4 NOUVEAU MODELE DEBIT TURBINE 2 :
Calcul de la première tuyère
Calcul de la deuxième tuyère
Mise en commun des deux tuyères
4.2 MODÉLISATION DES PERTES MÉCANIQUES DANS LE TURBOCOMPRESSEUR
4.2.1 FROTTEMENT FLUIDE PALIER
4.2.2 FROTTEMENT FLUIDE PALIER (CAVITE CENTRALE / PARTIE INTERIEURE)
4.2.3 FROTTEMENT FLUIDE BUTEE
4.2.4 FROTTEMENT TOTAL
Expression de la viscosité μ
Expression de l’excentricité relative ε
Expression du frottement total
4.2.5 MESURES EXPERIMENTALES DES PERTES MECANIQUES
4.2.6 COMPARAISON DES MODELES ET DES RESULTATS EXPERIMENTAUX
4.2.7 MODELISATION NUMERIQUE
4.2.8 PISTES D’AMELIORATION DU MODELE DE PERTES MECANIQUES
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES