Analyse structurelle et validation expérimentale d'un Rim-Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E)

Abstract

Le Rim-Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) est un moteur très haute densité de puissance utilisant des statoréacteurs en rotation pour produire un couple à grande vitesse angulaire.Le design structurel d'une première génération de R4E est présenté dans ce mémoire ainsi qu'une validation expérimentale avec combustion haute température. Ces travaux s'imbriquent dans un programme de recherche où l'objectif ultime est de démontrer expérimentalement qu'il est possible de produire de la puissance positive de ce type de moteur. La structure principale du moteur est basée sur l'utilisation d'un Rim-Rotor, un anneau de Carbone-PEEK unidirectionnel, qui reprend partiellement le chargement des propulseurs en compression. Un moyeu en aluminium en une pièce inclut les propulseurs et supporte le système d'allumage inductif intégré à la structure. Ce dernier a été caractérisé indépendamment afin de connaître l'effet des paramètres tels la distance entre les électrodes sur la puissance et l'énergie des étincelles.Le concept final proposé pèse 76 g, ne contient que 5 pièces dans un assemblage unique et peut résister à une vitesse tangentielle de 330 m/s (120 krpm) au niveau des propulseurs lors d'une combustion d'hydrogène de 1 sec. Un autre concept présenté est conçu pour résister 560 m/s (200 krpm) pour des durées de combustion très courtes, sans échauffement significatif des composants. Un modèle structurel analytique est proposé et validé par un modèle numérique ainsi que des essais expérimentaux sans combustion réalisés jusqu'à 188 krpm sans rupture.Le prototype conçu pour la combustion est validé par rapport à ses paramètres de conception et une rupture des pales de turbine survient tel que prédit par le modèle couplé thermique-structurel numérique. Les recherches ont démontré que le concept d'un R4E est viable et qu'il a le potentiel d'atteindre une vitesse tangentielle de près de 1000 m/s en utilisant des matériaux disponibles aujourd'hui. Les dissimilitudes d'expansion thermique entre les composantes, la différence de rigidité entre les pièces de l'assemblage ainsi que le transfert de chaleur vers le Rim-Rotor ont été identifiés comme des considérations importantes pour les futurs concepts de R4E.