6 – Intégration des contraintes avionneurs

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Bruno LODATO

3T - 2017-2018 1

Cours de Turbomachines - 2017 Copyright DEVAUX Catherine(IPSA-Paris)

Sommaire

1&2 – Introduction aux turbomachines

3 – Thermodynamique appliquée aux turbomachines 4&5 – Calcul des cycles d’adaptation

6 – Intégration des contraintes avionneurs

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6- Intégration des contraintes avionneurs

A- Méthodologie générale de conception d’un moteur B- Analyses des contraintes avionneurs

C- Détermination de la taille de l’avion

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Intro

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6- Intégration des contraintes avionneurs

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Notations

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F : poussée (N) T : traînée (N) L : portance (N) C : consommation (kg)

CS : consommation spécifique (kg/(h . daN)) CH : consommation horaire (kg/h)

q : pression dynamique (kg/(m . s²)) ρ: masse volumique (kg/m3) S : surface alaire (m²) m : masse (kg) V : vitesse (m/s) M : nombre de Mach Z : altitude (m)

g : accélération de la pesanteur (m/s²) χ : position manette

κ: coefficient de masse Cz : coefficient de portance Cx : coefficient de traînée n : facteur de charge λ: taux de dilution

Pour les indices, les notations suivantes seront utilisées :

TO : décollage (take-off ) E : à vide (empty) F : carburant (fuel) P : emports (payload)

0/0 : altitude sol, vitesse (Mach) nulle min : minimal

max : maximal z : portance x : traînée f : final i : initial

Spécifications Techniques

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6- Intégration des contraintes avionneurs -A- Méthodologie générale de conception

STB Cdc

…

Compagnie aérienne

Armée (terre, air, marine)

Exigences : -Missions

-Poussée -Consommations -Maintenance, DDV

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Exigences en terme de missions

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Exemples de missions : Avions commerciaux : . vol « court courrier » CC . enchaînement de 2 à 3 vols

« court courrier » sans ravitaillement,

. vol « moyen courrier » MC ou

« long courrier » LC, …

Seule la distance parcourue (rayon d’action) varie.

Missions avion commercial

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6- Intégration des contraintes avionneurs - A- Méthodologie générale de conception

Rayon d’action : - avion CC : ra < 1 000 km - avion CMC : 1 000< ra < 2 500 km - avion MC : 2 500< ra < 4 000 km - avion LC : 4 000< ra < 5 000 km - avion TLC : ra > 5 000 km.

Ex. « Missions mixées »

+ autres exigences …. terrains, …

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Missions avion militaire

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Exemples de missions : Avions militaires : . interception, . attaque au sol,

. pénétration basse altitude, . entraînement, ...

Ex. « Missions mixées »

Exigences en terme de poussée

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Top10 Fighter Jets Vertical Takeoffs

https://www.youtube.com/watch?v=JyZBrwGH2yI

=> exigence de puissance disponible

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Exigences en terme de

consommation de combustible

11 Distance

franchissable (Range)

Consom- mation Charge

« marchande » (Payload)

Solution :

=> Ravitaillement en vol (temps mini)

Maximum Take-Off Weight ouMTOW 1 nautical miles (nmi) = 1.852 km

Exigences en terme de

maintenance, taux de panne et de durée de vie

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Temps de « pose-dépose »

Fiabilité et DDV des pièces critiques

Maintenabilité

Comment installe-t-on un réacteur sur un avion de ligne ?

http://www.aeronewstv.com/fr/lifestyle/commen t-ca-marche/1061-comment-installe-t-on-un-reac teur-sur-un-avion-de-ligne.html

(7)

Exigences en terme de masse et

dimensions

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Xian Y-20 « Kunpeng » Falcon 7X Dassault

A350 Airbus

14

Exigences diverses : Electricité, air, …

Avions civiles et militaires

Energie électrique Air cabine Refroidissement électronique

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Prise en compte de ces exigences par le motoriste =>

STB

Architecture, Performances, Masse,

Encombrement,

…

R&D

Bureau d’Etudes

Banc d’essais

Prototype

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6- Intégration des contraintes avionneurs - B- Analyses des contraintes avionneurs

Modélisation du comportement de l’avion

P=m.g

On néglige les variations de g avec l’altitude

F

Dans l’axe de l’avion

L (lift)

Composante aérodynamique perpendiculaire à l’axe avion

T

Composante aérodynamique dans l’axe avion

.

On néglige les moments appliqués à l’avion

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Equation de conservation de l’énergie

Le travail des forces autres que le poids est égal à la variation d'énergie totale :

soit en dérivant par rapport au temps : (F+L+T).x = (m.g.z) + (m.V²/2)

On définit l’altitude isoénergétique par :

On obtient (en supposant que les forces de poussée et de traînée restent dans l'axe du vecteur vitesse et que la variation de masse est négligée par rapport à la variation de l’altitude isoénergétique dZe) :

Soit :

Physiquement, ceci traduit que la variation d'altitude isoénergétique dZe est égale à l'excès de puissance spécifique.

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Equation complète

-χposition manette exprimée en pourcentage (0 et 100 %),

qui représente le réglage moteur par rapport au réglage maxi donnant la poussée maximale F_TOau décollage (cas de vol 0/0 : altitude nulle et Mach ou vitesse de vol nulle),

−κcoefficient de masse avion valant 1 au décollage et qui diminue progressivemen t au cours du vol. Il représente la diminution progressive de la masse totale avion, par consommation de carburant ou lâcher d’emports (missiles, bombes, ...), par c omparaison à la masse de décollage m_TO,

On obtient :

Ou bien :

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Expression de la portance et de la traînée

Surface portante

Polaire de l’avion :

avec : n facteur de charge

Rapport Poussée/poids au décollage

Masse alaire :

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pression dynamique

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Expression des contraintes avionneurs

Exemple de mission

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21

Recherche d’une solution pour les contraintes avionneurs

Rapport poussée sur poids au décollage fonction de la masse alaire au décollage

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années 50-60 années 70-80

années 90

« Long courrier »

« Court courrier »

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Modélisation de la propulsion

MOTEUR MILITAIRE

MOTEUR CIVIL

24

6- Intégration des contraintes avionneurs - C- Détermination de la taille de l’avion

Modélisation de la consommation

spécifique

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Décomposition de la masse au décollage

AVIONS

MILITAIRES AVIONS

COMMERCIAUX

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Relation entre poussée et masse

au décollage

en kg

AVIONS COMMERCIAUX

AVIONS MILITAIRES

mMTOWen kg

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Modélisation de la variation de la

masse avion

COMMERCIAUX^AVIONS

AVIONS MILITAIRES

Cette équation s'intègre assez facilement et permet de calculer la masse de l'avion tout au long du vol, sur des segments où seule la masse de carburant varie.

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Cas simples

Phase de montée : (à V=cst, …)

Variation d’altitude isoénergétique dZe constante :

Nécessité d'estimer les instants initial et final de la phase de vol considérée.

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29

Conclusion

Fin du chapitre 6

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Su-35BM Next Generation Sukhoi

https://www.dailymotion.com/video/xaj0x5

Maximum speed/vitesse max: Mach 2.35[6] (2,500 km/h,[8] 1,500 mph) at altitude Range/rayon d'action : 3,600 km (1,940 nmi) ; (1,580 km, 850 nmi near ground level) Ferry range/avec reservoir: 4,500 km (2,430 nmi) with external fuel tanks Thrust with afterburner/poussée avec PC: 14,500 kgf (142 kN, 31,900 lbf) each Reacteur : 2X Saturn 117S turbofans

Service ceiling/altitude max : 18,000 m (59,100 ft) Rate of climb/vitesse de monter: >325 m/s (>64,100 ft/min) Thrust/weight /rapport poussée Poids : 1.14

5 des meilleurs avions de chasses du monde

https://www.youtube.com/watch?v=zXSPfmGv5_g