[INTERVIEW] Prof. Beni Cukurel : Moteurs à réaction imprimés en 3D, révolution des microturbines à gaz et avenir de l'énergie

Dans un grand pas vers l'avenir de la production d'électricité et de la propulsion, une équipe dirigée par le professeur agrégé Beni Cukurel du Technion – Institut israélien de technologie, a conçu une microturbine à gaz utilisant la fabrication additive (FA), également connue sous le nom d'impression 3D. Ce développement révolutionnaire présente une approche ingénieuse du principe de « conception pour la fabrication additive », remettant en question de manière significative les paradigmes de fabrication conventionnels.

Contrairement aux techniques de fabrication conventionnelles, l'équipe de Cukurel et le laboratoire Turbomachines et transfert de chaleur ont exploité le potentiel de la fabrication additive dans sa forme la plus pure. Selon lui : « Lorsque vous utilisez la fabrication additive comme une autre technique de fabrication, vous ne capitalisez pas vraiment pleinement sur les avantages de la fabrication additive. » Plutôt que de simplement intégrer la FA en tant qu'outil alternatif, l'équipe l'a réinventé en tant que ressource principale, en créant des conceptions a priori pour satisfaire les contraintes et tirer parti des avantages de la FA.

Au cœur de leurs recherches se trouvent les microturbines à gaz, conçues pour une production d’électricité proportionnelle. Cukurel définit les microturbines à gaz comme des systèmes capables de produire de l'électricité en dessous de 300 kilowatts et une poussée inférieure à deux kilonewtons. En adoptant l'approche AM, l'équipe a lancé son premier projet, une microturbine à gaz à l'échelle de 5 cm qui pourrait potentiellement fournir 300 watts à un drone. La microturbine offre une augmentation significative du temps de vol grâce à sa densité énergétique plus élevée par rapport aux batteries classiques.

L'équipe ne s'est pas arrêtée à la microturbine à gaz ; ils ont davantage mis à profit leurs connaissances en FA pendant la crise du COVID-19. Ils ont innové avec une conception de turbomachine préassemblée et autoportée pour les ventilateurs médicaux. "Nous avons transféré ce savoir-faire que nous avons développé dans les architectures de turbomachines autoportées préassemblées vers les turbines à gaz", a déclaré Cukurel.

La percée offerte par ces microturbines à gaz préassemblées et autoportantes dépend de leur disponibilité à la demande et de leur rentabilité. Le coût principal se limite au temps machine et à la consommation électrique, réduisant considérablement les dépenses de production.

Cukurel a reconnu qu'un tel travail innovant n'était possible que grâce à une collaboration fructueuse avec l'Institut von Karman pour la dynamique des fluides, l'Université Izmir Katip Celebi et PTC. Le projet financé par l’OTAN a permis à chaque partie d’apporter son expertise unique. L'Institut Von Karman a fourni une simulation haute fidélité pour l'aérodynamique et la combustion, l'Université Izmir Katip Celebi a apporté ses compétences en dynamique des fluides computationnelle pour évaluer la capacité portante des roulements hydrostatiques, et PTC a offert ses connaissances approfondies dans les technologies de fabrication additive, notamment grâce à sa puissante CAO. cadre de conception et de simulation, Creo.

Optimiser les performances grâce à la fabrication additive

Abordant les contraintes de conception pour la fabrication additive, Cukurel explique qu'ils ont commencé par développer un modèle de commande réduit. En termes simples, il s'agit d'un modèle optimisé qui conserve les aspects cruciaux du système d'origine, mais le simplifie pour une analyse et une utilisation plus faciles.

Lors de la conception d’un moteur à réaction, l’aérodynamique occupe traditionnellement une place centrale. L’objectif est d’atteindre des performances optimales en termes de thermodynamique, se traduisant par le rapport poussée/poids et la consommation spécifique de carburant, ou en d’autres termes, la puissance et la densité énergétique. Toutefois, cette approche échoue lorsqu’il s’agit de moteurs miniaturisés.

« Ce que nous avons créé, ce sont des modèles de commande réduits qui capturent toutes les disciplines présentes dans le moteur. Ceux-ci incluent l'aérodynamique, le transfert de chaleur, la dynamique du rotor et la combustion, entre autres », explique Cukurel. Pensez-y comme si vous condensiez une symphonie en une interprétation solo : vous devez conserver l’essence de la pièce tout en tenant compte des capacités de l’interprète solitaire.

Il continue de détailler comment ils ont créé un environnement d'optimisation multidisciplinaire qui connaît a priori toutes les contraintes de la fabrication additive. Cela signifie essentiellement qu'ils ont conçu un système qui, dès le début, comprend les limites de ce qu'il peut créer. C'est comme un architecte expérimenté qui sait ne pas concevoir un toit avec des angles trop raides pour que les matériaux de construction puissent le supporter.