Mec. Ind. (2001) 2, 411–420 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reservedS1296-2139(01)01126-5/FLA

La micro turbine : L’exemple du MIT

Yves RibaudONERA DEFA, B.P. 72 92322, Chatillon cedex, France

(Reçu le 30 avril 2001 ; accepté le 1 juin 2001)

Résumé—Le concept de micro turbine a été lancé il y a quelques années par le MIT et regroupe les efforts de spécialistes venantde disciplines différentes. Il porte sur la réalisation de micro turbines à gaz en céramique réfractaire, de 1 cm de diamètre, pardes techniques de micro fabrication de type micro électronique [2,5]. Les applications potentielles couvrent la propulsion desmicro drones, la génération de puissance électrique pour matériel portable, en remplacement des piles au Lithium trop lourdes, lamotorisation des satellites en orbite, la génération de puissance répartie pour l’aspiration des couches limites sur les ailes d’avion. . .Les contraintes de fabrication à de si petites tailles conduisent à des formes extrudées et 2D. Les contraintes physiques trouventleur origine dans les effets de viscosité et les limitations liées aux géométries 2D. Les constantes de temps sont généralement pluscourtes. Par ailleurs les propriétés des matériaux sont meilleures à ces échelles. Il ne s’agit pas d’une simple transposition par rapportaux turbomachines classiques mais de méthodes de conception différentes. Le présent document précise l’état d’avancement et leniveau des sauts technologiques abordés. 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

MEMS / micro énergie / micro générateur électrique / micro machine thermique / micro turbine à gaz / propulsion des microdrones

Abstract—The micro turbine: The MIT example. The micro turbine study began a few years ago at the MIT, with the participationof specialists from different fields. The purpose is the development of a MEMS (micro electro mechanical systems) based, 1 cm indiameter, micro gas turbine. Potential applications are devoted to micro drone propulsion, electric power generation for portablepower sources in order to replace heavy Lithium batteries, satellite motorization, the surface distributed power for boundary suctionon plane wings. The manufacturing constraints at such small scales lead to 2D extruded shapes. The physical constraints stem fromviscous effects and from limitations given by 2D geometry. The time scales are generally shorter than for conventional machines.Otherwise the material properties are better at such length scales. Transposition from conventional turbomachinery laws is no moreapplicable and new design methods must be established. The present paper highlights the project progress and the technologybreakthroughs. 2001 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

MEMS / micro energy / micro electric generator / micro thermal engine / micro gas turbine / micro drone propulsion

1. INTRODUCTION

Dans l’article [1] intitulé «MIT le corridor du futur »on pouvait lire « le projet le plus excitant de ce départe-ment c’est le micro moteur grand comme un bouton dechemise ». En fait l’ONERA a pris connaissance de cetteétude par deux jeunes polytechniciens qui effectuaientune année de spécialisation au MIT dans le départementGas Turbine Laboratory du Prof. A. Epstein.

L’objet de cette synthèse est d’informer le lecteur surces études relativement innovantes menées au MIT mêmesi elles s’appuient sur des technologies dont les fonde-ments sont connus et qu’il faut améliorer. C’est aussil’amorce d’une réflexion plus profonde sur la naissanced’une nouvelle culture en matière de transformation del’énergie.

2. PROBLÉMATIQUE ET APPLICATIONS

Le MIT développe un générateur électrique à microturbine à gaz, de type MEMS. Le micro moteur de 1 cmpar 3 mm, à haute vitesse de rotation, peut produire 10à 20 watts électriques en consommant 10 g de H2 parheure. Une action dérivée concerne la mise au point d’unmicro turboréacteur. Des versions ultérieures pourrontproduire 100 watts électriques avec des combustibleshydrocarbonés.

Une méthode de réalisation planaire basée sur les tech-niques de fabrication des circuits intégrés est choisie. Laraison de ce choix, qui suppose des investissements trèslourds aussi bien en études qu’en matériel de fabrication,est que la production de très grandes séries est envisa-gée, ce qui implique de trouver de nombreux débouchés.Le premier avantage de cette technique est d’intégrer sur

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TABLEAU IPerformances comparées de la micro turbine et des batteries au lithium.

Autonomie : 3,5 h Pile LiSO2 Rendement turbine et Rendement turbine et ηc = ηt = 0,65+compresseur (pol.) : compresseur : échangeur avalηc = ηt = 0,6 ηc = ηt = 0,65 Efficacité th.= 0,7

Energie utile 70 W·h Idem Idem IdemRendement thermique 0,057 0,106 0,142Puissance mécanique 20 W Idem Idem IdemVolume 350 cc 40,5 cc 22 cc 16 ccMasse* 400 g 50 g 29 g 22 gEnergie spécifique 175 W·h·kg−1 1 400 W·h·kg−1 2 440 W·h·kg−1 3 180 W·h·kg−1

Densité spécifique 200 kW·h·m−3 1 700 kW·h·m−3 3 210 kW·h·m−3 4 370 kW·h·m−3

* Avec réservoir rempli de carburant.

le même support, l’ensemble des composants et d’assu-rer une grande précision de réalisation. Le second avan-tage est de permettre un traitement collectif, chaque sup-port comportant plusieurs micro machines et l’empile-ment de plusieurs couches permettant d’obtenir des puis-sances importantes.

La première application envisagée concerne la propul-sion des micro drones. L’emploi d’une micro turbine per-mettrait d’assurer l’autonomie et la réserve de puissancenécessaires à ces micro vecteurs. La seconde applicationest relative à l’alimentation électrique des systèmes por-tables et là encore légèreté et autonomie sont les facteursdécisifs qui justifient le choix de ces micro turbines.

Le tableau I montre que la solution micro turbinepermet une bien meilleure autonomie qu’avec une pileau lithium mais que les performances, dans le cas desmicro turbines sont très dépendantes du rendement descomposants turbine et compresseur.

La mise en parallèle de ces machines sur une multi-couche de carbure de silicium de 200 mm de diamètre par3 mm d’épaisseur pourrait produire 10 kW de puissance,d’où l’utilisation prévisible pour des sources auxiliairesde puissance.

La propulsion des UAV (unmaned air vehicle) et desmunitions tactiques peut être aussi envisagée (domainede 100 kg à 1 000 kg de poussée).

L’intérêt de ces moteurs placés en surface c’est aussid’aspirer la couche limite et donc d’augmenter le rende-ment propulsif. Ces moteurs pourraient être aussi utiliséspour le décollage vertical. L’emploi de ces moteurs pourles avions de ligne est très prématuré car le rendementestimé de ces micro machines est actuellement beaucouptrop faible. Les composants tels que le compresseur, lachambre de combustion, la turbine, les échangeurs peu-vent servir de base pour construire des cycles thermody-namiques autres que ceux des turbines à gaz. On peut parexemple utiliser un cycle à air pour le refroidissement ou

d’autres cycles permettant soit de travailler à des tempé-ratures ambiantes ou à des températures cryogéniques. Lapompe permet d’exploiter le cycle de Rankine pour desapplications spatiales et terrestres et pour la récupérationde la chaleur perdue (cycles à surdétente qui sont beau-coup moins pénalisants en volume si on utilise des micromoteurs).

Cette micro machine comporte deux degrés de com-plexité supplémentaires par rapport aux circuits intégrés :en premier lieu la température haute du cycle thermody-namique est très importante (T ∼ 1 600 K) et d’autre partla vitesse périphérique des mobiles compresseur et tur-bine est de l’ordre de 500 m·s−1. Ces caractéristiquestrès sévères impliquent le choix du carbure de siliciumcomme matériau pour la réalisation de ces micro moteurs.

Le choix de la taille de ces machines résulte d’uncompromis car l’effet d’échelle joue sur le nombre deReynolds (donc sur le rendement thermique) et sur laprécision des réalisations et par ailleurs la profondeur degravure est limitée.

L’objectif premier est actuellement de montrer la fai-sabilité et donc de définir la machine la plus simple pos-sible. Ainsi la combustion emploie actuellement l’hydro-gène mais utilisera la combustion catalytique des pro-duits hydrocarbonés. Actuellement les fabrications et es-sais sont réalisés en utilisant le Si car la technologie duSiC mono cristallin n’est pas encore parfaitement maîtri-sée.

Les challenges concernent :

• les techniques de micro fabrication,

• la résistance des matériaux,

• les paliers et la dynamique des rotors,

• les micro moteurs électriques,

• la mécanique des fluides au sens large (aérodynamiqueinterne, thermique, combustion).

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La micro turbine : L’exemple du MIT

Figure 1. Schéma de la micro turbine [3].

Figure 2. Vue de la micro turbine [4].

3. DESCRIPTION DE LA MICRO TURBINE

La figure 1 montre une vue en coupe du microgénérateur électrique à turbine à gaz du MIT tandis que lafigure 2 représente une photo d’un exemplaire de microturbine gravée dans Si. Ce moteur est réalisé à partird’un empilement de 6 couches de silicium. La techniquede réalisation des strates consiste à placer un masquereprésentant les caractéristiques souhaitées et ensuite degraver sous les surfaces exposées.

Le tableau II donne les principales caractéristiques dumicro moteur, dans le cas d’un turboréacteur.

4. ASPECT THERMODYNAMIQUE

La structure planaire adoptée et le souci de simplifi-cation font que naturellement, pour le cycle simple deturbine à gaz, on choisit comme turbomachines un com-presseur centrifuge et une turbine centripète montés sur le

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TABLEAU IIParamètres du micro moteur.

Configuration Turboréacteur simple corpsDiamètre/hauteur 12 mm/3 mmRapport de pression 4/1Débit d’air 0,15 g·s−1

Température de sortie de la chambre 1 600 KVitesse de rotation 2,4·106 tr·min−1

Puissance utile 16 W électriquePoussée 0,125 NPoids 1 gConsommation de carburant 7 g·h−1

même arbre. Le taux de compression est limité àΠ = 4et la température maximale du cycle est choisie égale à1 600 K. Du fait de la miniaturisation et de la géométrie2D, les rendements du compresseur et de la turbine sontaltérés et les prévisions théoriques donnentηis c = 0,63et ηis t = 0,6. Des cycles thermodynamiques plus com-plexes peuvent permettre d’accroître les performancesmais au détriment de la simplicité de l’architecture de lamicro machine.

5. ASPECT MÉCANIQUE DES FLUIDESINTERNES

5.1. Facteurs d’échelle

Le tableau III compare les facteurs d’échelle entrela micro turbine et une machine conventionnelle dontles dimensions sont multipliées par 100. Le rapport sur-face/volume est multiplié par 100. Il en est de mêmepour la puissance volumique si l’on ne tient pas comptedu rendement thermique et du temps de séjour minimaldans la chambre. La puissance de frottement de Couetteintervenant dans les frottements de disque entre partiesfixes et parties mobiles (par exemple du générateur élec-trique) est multipliée apparemment par 100 mais unique-ment si les couches limites statoriques et rotoriques serecouvrent, d’où l’intérêt d’une optimisation de la lar-geur de ces entrefers. Les coefficients d’échange ther-mique convectif et de frottement moyens sont multipliéspar 3, par contre le nombre de Biot, rapport entre la puis-sance transmise par convection forcée et celle transmisepar conduction dans le matériau, diminue beaucoup, cequi signifie que le matériau a tendance à se mettre en isotempérature.

TABLEAU IIIEchelles de grandeurs entre un micro moteur et un moteur conventionnel.

Paramètre Facteurs d’échelle Micro moteur : Micro moteur :X = 0,01 ordre de grandeur

du paramètreLongueur X 0,01 ∼1 mmAire X2 10−4

Volume X3 10−6 ∼1 cm3

Aire/volume 1/X 100Masse X3 10−6 ∼1 gPuissance du cycle X2 10−4 ∼20 WPuissance/masse 1/X 100Puissance/volume 1/X 100Nombre de Reynolds X 0,01 ∼104

Coef. de frottement moyen C/X1/2 (C ≈ 0,3) 3 ∼10−2

Epaisseur de déplacement de lacouche limite/la largeur de passage C/X1/2 (C ≈ 0,6) 6 ∼10−1

Puissance de frottement de Couette 1/X 100 ∼10−1

Nb. de Stanton moyen C/X1/2 (C ≈ 0,3) 3 ∼10−2

Nb. de Biot moyen CX1/2 (C ≈ 0,3) 0,03(même matériau, macro et micro)

Nb. de Biot moyen ≈ CX1/2/8,7 (RT) 0,003 ∼10−2

(inox macro, silice micro)

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La micro turbine : L’exemple du MIT

TABLEAU IVComparaison entre micro chambre et chambre

conventionnelle.

Grandeurs Chambre conventionnelle Micro chambreLongueur 0,3 m 0,003 mVolume 6·10−2 m3 4·10−8 m3

Section de passage 0,2 m2 4·10−5 m2

Pression totale d’entrée 30 atm 4 atmTempérature totale d’entrée 800 K 500 KDébit masse 55 kg·s−1 2·10−4 kg·s−1

Vitesse moyenne 5–8 m·s−1 0,5 m·s−1

Rendement de combustion > 0,995 > 0,995 si parois athermanesTempérature de sortie 1 800 K 1 500 KTempérature de parois admissible 1 200 K 1 600 KPuissance volumique 3,8·104 kW·m−3·atm−1 3,3·105 kW·m−3·atm−1

5.2. Aspect aérodynamique interne

L’optimisation de la géométrie des turbomachines estlimitée car seules les géométries 2D sont permises. Il enrésulte la formation d’un décollement annulaire du fluideà l’entrée de l’alimentation du rotor de compresseur, làoù l’écoulement subit une déviation rapide de 90◦ dela direction axiale à la direction radiale. Heureusementce décollement du fluide est réenergétisé par l’action durotor, mais ce phénomène entraîne un accroissement del’entropie du gaz. L’écoulement étant laminaire dans lerotor, cela interdit toute diffusion en vitesse relative etpar suite la section de passage normalement aux aubesest légèrement convergente. Ceci impose que les palesen sortie du rotor soient très couchées dans le senstangentiel en arrière de la rotation. Il s’en suit dans lemouvement absolu un écoulement très couché dans ladirection tangentielle (α ∼ 2,30◦) à l’entrée du diffuseurà ailettes. Par suite la récupération de pression statiquedans cet organe est particulièrement faible (Cp ∼ 0,1).

5.3. Thermique

Le nombre de Biot étant très faible, les transferts ther-miques entre composants peuvent altérer sensiblementle cycle thermodynamique. Le coefficient d’échange parconvection forcée étant augmenté, la taille des échan-geurs (par exemple utilisation d’un échangeur aval) seracompatible avec les dimensions envisagées (Φ ∼ 1 cm).L’une des actions importantes consistera à concevoirl’isolation thermique de la micro turbine, pièce trèschaude et d’où s’échappe un jet à haute température, afinde permettre son intégration dans un système portable.

5.4. Combustion

Les deux challenges pour la mise au point de lachambre de combustion concernent d’une part le respectd’un temps minimum de séjour et d’autre part la priseen compte de l’augmentation sensible du rapport sur-face/volume.

Les paramètres globaux comparés pour une microchambre (rapport de pression 4/1, sans récupérateur dechaleur, combustion de H2) et pour une chambre deturbine à gaz conventionnelle (rapport de pression de 30)sont portés dans letableau IV.

L’utilisation de SiC permet de monter jusqu’à 1 700 Ksans refroidissement des parois. De plus la puissancevolumique de la chambre, élément dimensionnant de lamachine, est multipliée par 10.

Pour augmenter le temps de séjour, on augmente lataille de la chambre, on multiplie par deux la longueuren utilisant le canal centrifuge pour le mélange et leréchauffement du fluide et le conduit centripète pour lacombustion et enfin on abaisse la vitesse du fluide.

Dans un premier temps on utilise H2 pour une miseau point rapide de la chambre. Dans un deuxième temps,pour les combustibles hydrocarbonés, on utilisera la com-bustion catalytique, afin de limiter les pics de tempéra-ture. Ceci implique aussi que les émissions de NOx se-ront très faibles.

Des essais concluants ont été réalisés au MIT [2] surune micro chambre d’un volume de 0,13 cm3.

Pour l’instant le rendement de combustion est insuffi-sant à cause des pertes de chaleur pariétales. Les paroisdevront être isolées à l’avenir. Un fil chauffé est utilisécomme allumeur. Les calculs numériques ont participé àla mise au point de ces chambres.

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Figure 3. Schéma du palier à gaz.

6. PALIERS À GAZ

Le frottement à sec ne semble pas compatible avec desgrandes vitesses et une grande durée de vie. Au contraire,l’intérêt des paliers à gaz, c’est leur simplicité et le faitqu’ils ne s’usent pas. Cependant, la difficulté, c’est latendance à l’instabilité. Des études ont déjà été effectuéessur des gyroscopes et des machines cryogéniques. Maisil est difficile de réaliser des paliers de grande longueuret de faible jeu, à l’échelle micro. Une étude a étéentreprise pour se donner les moyens et la compréhensionnécessaires pour produire des paliers à gaz haute vitessequi soient stables. Un solveur des équations complètesde Navier–Stokes a été écrit afin d’étudier le degréd’approximation généralement admis pour l’étude despaliers conventionnels. Un solveur basé sur l’équation deReynolds qui contient ces hypothèses simplificatrices aété aussi mis au point.

6.1. Contraintes du projet

Un des problèmes de fabrication est de réaliser unfaible jeu radiale sur une grande profondeurL par latechnique RIE (reactive ion etching). Il serait possiblede diminuer le jeu en fabriquant séparément le rotoret le stator mais cette technique présente l’inconvénientde compliquer beaucoup la fabrication. La réalisationimpose une/Lminimum impliquant un compromis entrela petitesse dee/r et une valeur suffisante deL/D quiest strictement fonction der. Le procédé de gravureimpose aussi une taille de machine faible de façon à

réduire les coûts. Le rayon est aussi limité par le faitde l’accroissement des pertes visqueuses avec le rayonaussi bien au niveau du palier qu’au niveau du frottementde Couette entre disque de rotor et stator. En plussi r augmente la résistance de la céramique à la forcecentrifuge diminue. Ainsi pour un projet de turbine pourmicro moteur, les considérations ci avant conduisent àutiliser les paramètres suivants :L/D = 0,075, M =1,09,ψ = 0,005,χ = 2,9,Λ= 3,5.

Ainsi les paramètres choisis sont totalement en de-hors des valeurs traditionnelles :L/D est 1/3 de la va-leur communément admise, le nombre de Mach est unordre de grandeur supérieur, le jeu relatif est cinq foisplus grand et le paramètre d’inertie est trois ordres degrandeur plus grand. Sur la turbine du micro moteur, lepalier est situé à la périphérie du rotor et il est dominépar un débit de fuite axial. Il présente de plus des carac-téristiques de compressibilité et de dépendance vis à visdes phénomènes thermiques. Enfin il est aussi influencépar les effets de courbure et d’inertie.

En dépit des contraintes imposées par la micro fa-brication, il apparaît que l’objectif de définir des paliersstables semble réalisable. Les points de fonctionnementà haute vitesse sont robustes du fait des faibles excen-tricités et des larges charges nécessaires pour maintenircelles-ci. Le problème de ces hautes vitesses est d’établirces charges pour permettre une accélération sans dangerjusqu’à ces vitesses. Plusieurs options compatibles avecla micro fabrication sont identifiées telles que la pressuri-sation de côté, le déséquilibrage, la géométrie non circu-laire et l’assistance électrostatique.

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La micro turbine : L’exemple du MIT

Les codes mis au point au MIT permettent soit deprendre en compte les effets généralement négligés (ef-fets thermique et d’inertie : code BASICS) soit d’effec-tuer des études de projets en négligeant ces effets (codeSPECTRES).

7. MATÉRIAUX ET RÉSISTANCEDES MATÉRIAUX

Beaucoup de travail a été accompli pour optimiser lesprocédés de fabrication pour matériaux de type semi-conducteur conventionnels tels que le silicium [2] maisles procédés se rapportant à SiC et SiN2 ne sont pas en-core matures même s’ils sont en voie de développement.

La partie la plus critique du point de vue résistance desmatériaux est la turbine parce que la température d’arrêtest de l’ordre de 1 600 K et que la vitesse de rotationpériphérique est de l’ordre de 500 m·s−1. La fabricationd’un micro générateur à partir du silicium a été réalisée.En parallèle, des procédés adaptés à SiC sont en cours dedéveloppement.

7.1. Fabrication

Le problème du procédé de micro fabrication estcelui du temps et donc du coût plutôt que celui dufacteur d’échelle. Ainsi la vitesse de gravure est de 10à 10 000 nm·s−1 pour le silicium et de 0,1 à 5 nm·s−1

pour le carbure de silicium. Notons que le fait d’utiliserun monocristal, tout comme celui d’utiliser une rouemonobloc, augmente la résistance de celle ci.

7.2. L’effet de la réduction d’échelle

L’effet d’échelle de longueur sur les matériaux cas-sants est connu depuis longtemps. Des études expérimen-tales ont montré que les petits spécimens en moyenne ontune meilleure résistance que les grands. C’est le cas desmicro machines du fait d’une part du procédé de fabrica-tion et d’autre part du fait de la population de défauts quicontrôle le niveau de résistance du matériau.

Le procédé de fabrication utilisé sur un monocristalpermet d’obtenir une très grande qualité d’état de surface.La réduction des défauts de surface va améliorer la résis-tance. Si on utilise la fonction de densité de probabilitéde Weibull (déterminée expérimentalement) on obtientle rapport des contraintes caractéristiquesσ1/σ2 donnant

l’égale probabilité de fracture pour deux volumes ayantle même type de distribution de contraintes. Ainsi lors-qu’on passe de 0,1 m à 1 mm le rapport des résistancesest multiplié par 3.

Une autre considération concernant les micro ma-chines est relative à la charge d’impact. Pour un volumedonné, la surface d’impact en proportion de la hauteur deveine est plus grande à faible échelle et donc la contrainteliée à l’impact est plus faible. Par contre la tendance àl’oxydation est plus grande. On peut aussi remarquer quele choc thermique est moins important à petite échelle.

La fabrication obtenue par micro gravure donne unétat de surface de 0,3 µm et conduit à une contraintede référenceτ = 3,5 GPa et à un module de Weibullde 10. Ainsi l’état de surface joue un rôle important pourl’obtention d’une résistance élevée.

7.3. Projet structurel du micro moteur

Il y a trois régions du rotor de turbine où les contraintespeuvent être excessives : au centre du disque, à la transi-tion entre le moyeu et le disque et près du pied des bordsde fuite.

A une vitesse de 500 m·s−1 les calculs montrentque l’on passe d’une contrainte de 240 MPa pour ledisque plat à 400 MPa du fait de l’inertie des aubes. Lemoyeu du disque est surélevé au centre afin de constituerune surface agissant comme palier de poussée. Il estavantageux de ménager un filet de transition afin deréduire le niveau de contraintes (la dimension du filetjoue un rôle appréciable dans le niveau de contraintes).La hauteur axiale d’aube est aussi limitée pour ne pasdépasser les contraintes admissibles au pied des aubes.

8. MICRO FABRICATION ET ESSAISDE LA CHAMBRE DE COMBUSTION

8.1. Fabrication de la micro chambre

L’assemblage de la micro chambre de combustionconsiste en la liaison par fusion de trois couches desilicium. L’hydrogène est injecté en aval de la région ducompresseur à travers des trous d’injection et se mélangeà l’air avant l’entrée dans la chambre par des portesplacées axialement.

La fabrication des différents composants du dispositifrequiert un total de 6 masques, la combinaison de 4 gra-vures isotropiques à sec et de deux gravures anisotro-

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piques à sec. La partie haute de chaque couche est re-couverte par un revêtement protecteur photorésistant etconfiguré de façon appropriée (couche n◦1 : réservoir,couche n◦2 : pièce d’espacement, couche n◦3 : chambrede combustion). Comme aucune de ces configurations nerequiert des murs parallèles, la gravure isotropique estpréférée car elle économise le temps de gravure. Ensuitece sont les faces inférieures des couches qui sont proté-gées. L’alignement infra rouge est utilisé pour positionnerles injecteurs de fuel, les portes d’entrée de la chambre,et la géométrie inférieure de la chambre. Les injecteursd’une profondeur de 200 µm et les portes d’entrée sontgravés de façon anisotrope. Les trois couches sont en-suite alignées et soudées. La pile de couches de 1,8 mmd’épaisseur a été finalement sciée en dés afin d’obtenir 13exemplaires de 1,5 par 1,5 cm.

8.2. Résultats d’essais

Des résultats d’essais ont été obtenus au MIT sur laplus grande partie du domaine d’inflammabilité de l’hy-drogène. Ainsi des résultats d’essais sont obtenus pourdes richesses comprises entre 0,4 et 1,6. On voit que l’onpeut obtenir des températures de gaz en sortie de chambrejusqu’à 1 700 K (précision de mesure : 100◦C). Bienque des températures de gaz très importantes soient ob-tenues, la faible isolation thermique du montage entraînedes pertes thermiques conséquentes. Ainsi la températurede paroi haute est de 850 K (au maximum) et de 950 Kpour la paroi basse alors que la température de fusion dusilicium est de 1 410◦C.

Globalement, bien que les essais doivent être effec-tués à haute pression et que des diagnostics de combus-tion plus évolués doivent être mis en place, la chambrede combustion a été essayée avec succès. Avec une puis-sance de chauffe de 150 watts (correspondant à une puis-sance spécifique de 2 000 MW·m−3), le dispositif a ététesté pendant plus de 15 heures. L’aspect de la chambrede combustion après ce temps de fonctionnement est cor-rect même si des traces d’oxydation sont visibles.

8.3. Matériaux, résultats sur l’oxydationà très haute température

L’examen après combustion de la micro chambreen silicium révèle des traces d’oxydation autour dela structure et aux portes d’entrée. En conséquenceune étude d’oxydation des matériaux a été entreprisepour poursuivre l’examen de ses effets sur le silicium

utilisé dans la chambre. Ainsi une plaque composée destructures de type sonde puis en forme de doigt avec destailles de 20×500×450 µm3 et 1 600×2 000×450 µm3

a été fabriquée et essayée dans la micro chambre decombustion.

La plaque a été fabriquée au moyen d’une gravure ani-sotrope, en partant d’une pièce de 450 µm. La structurea été exposée pendant plus de 8 heures à la pression at-mosphérique et à une température supérieure à 2 000 K.Les doigts ont grandi du fait d’un dépôt d’oxyde de 1 à10 µm. Pour cette application particulière il semble qu’ils’agisse d’une oxydation passive. Les essais sous pres-sion ont montré que le fluage constituait la limitation mé-canique du silicium dans cet environnement à haute tem-pérature. On suggère que le fluage des doigts doit suivrela transition fragilisation/zône plastique du silicium quiapparaît environ à 900 K.

Les essais d’une durée de 5 heures sur un distributeurà aubes de turbine, à une température de gaz de l’ordrede 1 800 K, une pression de 2,5 atm et un débit masse de0,1 g·s−1, montrent que bien que la surface soit piquée etl’érosion visible, l’intégrité structurelle globale des aubesdemeure et la section de col n’a pas bougé, à 2 % prés.

9. LES POINTS DURS

9.1. Les paliers à gaz

C’est peut être le point le plus délicat car l’on setrouve tout à fait en dehors des domaines explorés avecdes écoulements transsoniques dans les paliers qui sontplacés en périphérie du rotor pour pouvoir supporterla charge. De plus des conditions thermiques sévèrespeuvent modifier sensiblement les propriétés de ceux ci.Il est aussi délicat d’obtenir des débits corrects et auxbonnes pressions dans les conduits alimentant ces paliers.Enfin la recherche du domaine étroit de stabilité constitueun problème majeur.

9.2. Matériaux et micro fabrication

Où en est la technique d’obtention de monocristaux deSiC de taille suffisante et les techniques de micro fabrica-tion sont-elles adaptées au taillage de ces monocristaux?

Il semble que la technique de micro fabrication soitrelativement opérationnelle pour le silicium mais pour cequi concerne SiC de gros progrès restent à faire avant depouvoir utiliser ce matériau.

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La micro turbine : L’exemple du MIT

9.3. Intégration

Une question très pertinente a été posée par Ch. Mar-chal de l’ONERA et n’a pas encore trouvé une ré-ponse totalement satisfaisante : si la micro turbine fournit15 watts électriques et que le rendement thermique est de0,1 alors il faudra évacuer 135 watts majoritairement parles gaz d’échappement et ce à une température très élevée(T ∼ 900◦C). Une solution a été proposée par le MIT :elle consiste à placer à l’échappement un micro échan-geur afin de réchauffer l’air en sortie de compresseur.Si on adjoint ensuite un mélangeur comme sur certainsturbomoteurs, on pourrait espérer descendre la tempéra-ture des gaz d’échappement en dessous de 100◦C. Parailleurs il faut isoler la micro turbine de son support auniveau de la conduction car le niveau de température at-teint par le matériau (matériau isotherme car le nombre deBiot est très faible dans les micro turbines) est de l’ordrede 700◦C.

10. LES POINTS D’INTERROGATION

10.1. Résistance aux chocs

Que se passe-t-il si on laisse tomber la micro turbinesur un sol dur ? (La micro turbine étant destinée aux sys-tèmes portables, les chutes sont inévitables.) Commentsuspendre la micro turbine ? Quelles sont les incidencesd’un choc au niveau du comportement et de la stabilitédes paliers à gaz ?

Les transferts thermiques sont exacerbés du fait del’augmentation du rapport surface sur volume, de l’aug-mentation du coefficient de frottement des gaz, du faitque le matériau est isotherme, d’où des différences detempérature importantes entre les gaz et les parois aussibien côté compresseur que turbine. Ces transferts ther-miques sont défavorables sur les performances du cyclede Joule (ou de Brayton) mais il est nécessaire de précisercette dégradation énergétique sous l’angle quantitatif.

10.2. Jeu axial entre rotor de turbine etcarter

Par expérience on sait qu’un jeu relatif de 10 %entre bouts d’aubes et carter entraîne une diminution derendement aérodynamique de la turbine dans les mêmesproportions. Ainsi un jeu axial de 20 µm diminue lerendement de la turbine de 10 %. Il est donc important

de savoir de combien est le débattement axial du palierde poussée pour connaître le jeu axial qu’il faut admettreentre bouts d’aubes et carter.

11. CONCLUSION

La micro turbine étudiée au MIT semble bien consti-tuer le maillon énergétique approprié pour la propul-sion des micro drones et l’alimentation des systèmes por-tables.

L’utilisation d’un ensemble de micro turbines grou-pées et empilées par couches pourrait conduire à une mul-titude d’applications.

Il semble qu’il faille au moins encore cinq ans d’ef-forts supplémentaires avec des moyens très importantspour la mise au point des premiers prototypes de microturbines.

Soulignons également que ce concept est concurrencépar d’autres projets de micro machines qui s’appuientégalement sur des techniques de type MEMS. Il est utilede classer ces futures micro machines en terme d’archi-tecture et d’applications. Le cycle de Joule allié aux tur-bomachines est certainement le moyen d’obtenir les ma-chines les plus compactes, ce qui est particulièrement in-téressant pour l’application aux micro drones. Le microwankel, bien qu’à priori un peu plus encombrant (étudiéactivement à l’Université de Berkeley), s’avère une solu-tion sérieuse mais pose aussi de redoutables défis techno-logiques.

Il sera possible bien sûr d’intégrer les organes decompression et de détente dans des cycles variés.

Pour des applications destinées aux systèmes por-tables, on peut citer de façon non exhaustive les projetssuivants : utilisation de l’effet thermoélectrique, le pistonlibre avec rupture de champ magnétique, le piston libreavec effet piezoélectrique, utilisation de l’effet thermoio-nique, utilisation de l’effet thermoacoustique. Dans tousces projets les transferts thermiques internes et externessont du même ordre de grandeur que la puissance utile etleur gestion est donc fondamentale.

Remerciements

L’auteur tient à remercier les I.A. Estève et Groshenrypour leur souci constant de diffusion des travaux menésau MIT, le SPMT de la DGA pour le soutien apporté àcette veille scientifique et Ch. Marchal de l’ONERA pourl’intérêt qu’il a manifesté pour cette étude.

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Y. Ribaud

RÉFÉRENCES

[1] Le Monde (30 juin 1998).[2] The MIT Microengine Project (27 publications), Room 31-264,

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139,USA, 1996–1999.

[3] Mechanical Engineering (10 octobre 1997).[4] Aviation Week and Space Technology (11 juillet 1999).[5] Microturbomachinery, US Patent US5932940, 3 août 1999,

déposant : MIT.

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