UNIVERSITÉLIBREDEBRUXELLES
Performance study and modelling of an
integrated pump and gas-liquid separator system - Optimisation for aero-engine lubrication systems
Thèse présentée en vue de l’obtention du titre de Docteur en Sciences de l’Ingénieur
Johan Steimes
Promoteur
Pr. Patrick Hendrick Service
Aéro-Thermo-Mécanique
Année Académique 2012 - 2013
PERFORMANCE STUDY AND MODELLING OF AN INTEGRATED PUMP AND GAS-LIQUID SEPARATOR SYSTEM
-
OPTIMISATION FOR AERO-ENGINE LUBRICATION SYSTEMS
A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree of
Docteur en Sciences de l’Ingénieur
by Johan Steimes
Université Libre de Bruxellles Ecole polytechnique de Bruxelles Service d’Aéro-Thermo-Mécanique
August 2013
Members of Jury:
Prof. G. Degrez, Université Libre de Bruxelles, Belgium (president) Prof. J.-M. Buchlin, Université Libre de Bruxelles, Belgium (secretary)
Prof. P. Hendrick, Université Libre de Bruxelles, Belgium (advisor) Prof. H. Morvan, University of Nottingham, UK
Prof. P. Slangen, Ecole des Mines Alès, France Dr. M. Flouros, MTU Aero Engines, Germany
Abstract
A system able to simultaneously separate and pump a gas-liquid mixture was devel- oped. It works efficiently and can be used in many applications (nuclear power plants, pulp and paper processing, petroleum extraction, etc.). However, this pump and sep- arator system (PASS) was especially designed to handle air-oil mixture generated in aero-engine lubrication systems. The PASS combines three important functions of the scavenge part of the lubrication system: the deaeration and deoiling of the air-oil mix- ture generated in the bearing and gearbox sumps and the pumping of the oil towards the tank. These are critical functions for the engine. Indeed, a poor deoiling efficiency leads to a high oil consumption. This reduces the flight endurance, increases the size and weight of the oil tank and has a negative impact on the environment. Poor deaera- tion and pumping characteristics lead to problems in the cooling and the lubrication of the engine bearings.
Integrating a PASS into the lubrication system allows considerable improvements (and simplification) to the lubrication system architecture. An important number of components are suppressed: the vent lines, the deoiler, the cyclone deaerator and the scavenge pumps. This reduces the size and the weight of the lubrication system and increases its reliability. Furthermore, an important part of this PhD thesis focuses on reducing the oil consumption in the PASS. This improves the flight endurance, reduces engine maintenance and working costs and is profitable to the environment.
In addition to the development of an advanced PASS design system, the objective of this thesis was to obtain a good understanding of the separation processes occurring in the PASS and to develop theoretical models able to predict the separation performance for every working condition encountered in a typical aircraft flight. To achieve this goal, three main tasks were performed: the development of different two-phase mea- surement systems, the experimental tests of four different PASS architectures and the theoretical development (after an extensive literature review) of correlations predicting the performance of the PASS in function of the working conditions. Five specific aspects of the PASS were studied: the inlet flow, the deoiling efficiency, the deaeration efficiency, the pumping efficiency and the pressure drop. Finally, the models that have been de- veloped with the help of the measurement systems and of the experiments have been integrated in a complete model of the lubrication system (under the EcosimPro mod- elling environment). This helps to predict real in flight PASS working conditions and performance. Indeed, the PASS is very sensitive to the engine working conditions and an optimisation of the prototype size and performance is only feasible with an accu- rate knowledge of these working conditions and a complete lubrication system model.
Finally, with the results of this PhD thesis, a new PASS design, optimised for different aero-engine lubrication systems, is presented.
Remerciements
Une thèse de doctorat est une belle aventure scientifique et humaine. Ce travail n’aurait pas pu aboutir sans la participation et les encouragements de plusieurs personnes que je tiens à remercier.
Tout d’abord, je voudrais remercier le professeur Patrick Hendrick de m’avoir offert la possiblité de commencer cette thèse au sein de son service, pour son encadrement, sa confiance et ses conseils. Merci d’avoir travaillé d’arrache-pied pour recevoir les dif- férents financements qui ont permis de mener un travail expérimental de qualité dans des conditions optimales. C’est un luxe que peu de doctorants peuvent se permettre.
Je tiens évidemment à remercier François Gruselle pour notre collaboration. J’ai énormément appris et évolué scientifiquement à ton contact. C’était un vrai plaisir de travailler avec toi au quotidien. Merci également d’avoir pris le temps de me donner ton avis sur ce manuscrit.
Un énorme merci également à Laurent Ippoliti pour ses corrections et ses avis. Ses connaisances en Latex et Matlab m’ont permis d’avancer plus rapidement sur la rédac- tion de ce manuscrit. Laurent, c’est à charge de revanche! Merci également à Christophe Diakodimitris pour ses conseils avisés et son amitié au cours de toutes ces années passées à travailler, vivre et manger ensemble (bientôt 25 ans!). Je n’oublie évidem- ment pas Olivier Berten pour sa gestion du laboratoire ATM, ses conseils techniques et humains, ainsi que son sourire et sa bonne humeur perpetuelle qui mettent tellement de vie dans le service. I do not forget my Italian friend, Mariano Di Matteo, who’s in- ternship on the design of the droplet extractor helped me to improve the granulometry measurements of this thesis.
Je remercie également tous les techniciens du laboratoire pour leurs travaux et leurs conseils: Dany Carlens, Pascal Beine, Yves Simon, Raphael de Bisschop, Lionel Lam- bert et Adrien Fita-Codina. Sans votre expérience, la partie expérimentale de ce travail n’aurait pas pu aboutir. J’ai beaucoup appris à vos côtés et vous avez permis de faire passer les montages du banc et les sessions d’essais dans l’huile (qu’il faut bien avouer, ne sent vraiment pas bon, encore désolé pour ça) avec le sourire.
Merci à Bruno Servais de Techspace Aero pour les informations techniques et les avis précieux qu’il a apportés lors des premières années de cette thèse.
Merci également à tous les "petits nouveaux" de chez ATM: Guilherme, Shayan, Bi- lal. Vos rires et vos encouragements m’ont permis de déstresser dans les moments les plus durs. Je serais heureux si vous avez retenu une seule leçon de ma part: Diako ne peut pas gagner!
Bien évidemment, je dois dire un immense merci aux membres de l’équipe "old school" ATM qui n’ont pas encore été cités: Matthew, Terry, Olivier, Thomas. J’ai égale- ment une pensée particulière pour Christophe Riga et Amélie Ruelle. Je suis content de pouvoir vous compter parmi mes amis les plus proches. Amélie, j’aurai du mal à retrouver une voisine de bureau comme toi un jour! La bonne humeur et la superbe ambiance qui régnait dans le service grâce à vous tous motivaient vraiment à venir tous les jours à l’ULB (même les vendredis matins...).
Un merci tout particulier aussi à toute l’équipe de chez BEAMS - Energy, les barbe- cues et apéros communs ont toujours été une réussite. Merci également à Matthieu et Melik pour les franches rigolades lors de l’encadrement des équipes Eco-Marathon (et en dehors de l’ULB!).
Merci aussi bien évidemment à mes amis de souche arlonnaise (Bertrand, Guil- laume, Antoine, Matthieu et encore beaucoup d’autres) pour ces dix chouettes années passées à l’ULB. Quelle aventure!
Merci à mes collocs de ne pas m’avoir tenu rigeur du laisser-aller dans les tâches mé- nagères, mais surtout pour leur bonne humeur et leur amitié qui ont rendu la maison des Hoefs tellement agréable à vivre même pendant cette période plus difficile.
Je tiens également à faire part à mes parents de ma plus profonde reconnaisance.
C’est leur amour, leur soutien, leurs conseils et leurs sacrifices qui m’ont permis d’en arriver ici aujourd’hui. Merci également à ma grande et à ma petite soeur pour tant de raisons! Vous êtes tous les quatres (aller, six avec Aiki et Yanouck) une source d’inspiration pour moi.
Et finalement, évidemment, à Emilie, d’avoir accepté mes longues nuits et weekends de travail, de m’avoir supporté et aidé tout au long de cette thèse, et pour tout le reste.
Quand rien ne va, son soutien (et celui de Chicha et Léo!) redonne du coeur à l’ouvrage.
Contents
Page
Contents i
List of Figures v
List of Tables xi
List of Symbols xiii
Introduction 1
1 Literature review 11
1.1 Introduction . . . 11
1.2 Aero-engine emissions issues and potential solutions . . . 12
1.2.1 Environmental impacts . . . 12
1.2.2 Historical and future trends . . . 16
1.2.3 More Electric Aircraft . . . 18
1.3 Aero-engine lubrication systems . . . 20
1.3.1 Oil . . . 20
1.3.2 General considerations . . . 22
1.3.3 Bearing chambers . . . 24
1.3.4 Seals . . . 25
1.3.5 Accessory drives . . . 27
1.3.6 Volumetric pumps . . . 28
1.3.7 Heat exchangers . . . 29
1.3.8 Oil tanks . . . 30
1.3.9 Deaeration . . . 31
1.3.10 Vent lines, deoilers and metal foams . . . 33
1.3.11 Filters and monitoring systems . . . 41
1.4 Two-phase flows . . . 42
1.4.1 General concepts . . . 42
1.4.2 Droplet distributions . . . 51
1.4.3 Two-phase flow regimes in pipes . . . 54
1.4.4 A deeper look into annular flows . . . 58
1.5 Pumping, separation and integrated systems . . . 63
1.5.1 Separation systems . . . 63 i
ii Contents
1.5.2 Two-phase flow pumping . . . 65
1.5.3 Pumping and separation systems . . . 67
1.6 Partial conclusion . . . 70
2 Methods and Materials 71 2.1 Introduction . . . 71
2.2 Integrating the PASS in the aero-engine lubrication system . . . 72
2.2.1 Technological evolutions . . . 72
2.2.2 PASS specifications . . . 74
2.2.3 Methodology . . . 76
2.3 Pump and separator system . . . 79
2.3.1 Basic design . . . 79
2.3.2 General design guidelines . . . 81
2.3.3 Prototypes . . . 82
2.3.4 Manufacturing and limitations . . . 84
2.4 Test bench . . . 88
2.4.1 General description . . . 88
2.4.2 Regular and radio-traced test bench . . . 93
2.4.3 Test procedure . . . 93
2.5 Two-phase flow measurement techniques . . . 95
2.5.1 Deaeration efficiency . . . 95
2.5.2 Deoiling efficiency . . . 97
2.5.3 Granulometry . . . 103
2.6 Partial conclusion . . . 117
3 Inlet flow 119 3.1 Introduction . . . 119
3.2 Experimental results . . . 120
3.2.1 Entrainment rate . . . 120
3.2.2 Particle size distribution . . . 121
3.3 Theoretical study . . . 127
3.3.1 Entrainment rate estimation . . . 127
3.3.2 Sauter Mean Diameter computations . . . 133
3.3.3 Particle size distribution . . . 140
3.4 Partial conclusion . . . 143
4 Deoiling efficiency 145 4.1 Introduction . . . 145
4.2 Experimental results . . . 147
4.2.1 Influence of oil ageing . . . 148
4.2.2 Influence of the prototype configuration . . . 148
4.2.3 Influence of the working conditions . . . 150
4.2.4 Without the metal foam . . . 155
4.2.5 Outlet flow particle size distribution . . . 158
iii
4.2.6 Partial conclusion . . . 160
4.3 Theoretical analysis . . . 162
4.3.1 Dimensional analysis . . . 163
4.3.2 Metal foam separation model . . . 165
4.4 Validation of the model with the experimental results . . . 175
4.5 Partial conclusion . . . 177
5 Deaeration efficiency 179 5.1 Introduction . . . 179
5.2 Preliminary theoretical study . . . 180
5.2.1 Governing equations . . . 180
5.2.2 Discussion about the liquid film thickness . . . 183
5.3 Experimental results . . . 185
5.3.1 Influence of the prototype design . . . 185
5.3.2 Influence of the working conditions . . . 187
5.4 Prediction of the deaeration efficiency . . . 192
5.4.1 Physical interpretation . . . 192
5.4.2 Losses analysis . . . 193
5.4.3 Dimensional analysis . . . 196
5.5 Validation of the model with the experimental results . . . 198
5.6 Partial conclusion . . . 200
6 Pumping efficiency and pressure drop 201 6.1 Introduction . . . 201
6.2 Experimental results . . . 202
6.2.1 Power consumption . . . 202
6.2.2 Pressure drop . . . 206
6.3 Theoretical study . . . 209
6.3.1 Power consumption . . . 209
6.3.2 Pressure drop . . . 211
6.4 Partial conclusion . . . 214
7 Advanced design and in-flight performance prediction 215 7.1 Introduction . . . 215
7.2 Integration in a lubrication system model . . . 216
7.2.1 Modelling the lubrication system in EcosimPro . . . 216
7.2.2 Deoiling efficiency . . . 221
7.2.3 Deaeration and pumping efficiencies . . . 223
7.3 PASS advanced design . . . 226
7.3.1 Lubrication system design . . . 226
7.3.2 PASS advanced design study . . . 227
7.3.3 New prototype design . . . 232
7.4 Partial conclusion . . . 237
iv Contents
Conclusions and future perspectives 239
Bibliography 249
A Appendix 265
A.1 ACARE and CLEEN goals . . . 266
A.2 Aero-engine lubrication systems . . . 267
A.3 Multiphase flows . . . 269
A.4 Oil and air properties . . . 271
