Étude expérimentale du fonctionnement cavitant d'une pompe lors de séquences de démarrage rapide

par Sébastien Duplaa

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Gérard Bois et de Olivier Coutier-Delgosha.

Soutenue en 2008

à Paris, ENSAM .


  • Résumé

    Sur les moteurs des lanceurs spatiaux comme Ariane V, le démarrage des turbopompes est effectué en quelques secondes. Par conséquent, ces pompes atteignent leurs conditions de fonctionnement nominales après seulement quelques rotations de la roue. Au cours de ces premières rotations, l'écoulement du fluide dans la roue est gouverné par des phénomènes transitoires, basés principalement sur l’augmentation du débit et de la vitesse de rotation. Ce comportement transitoire de la pompe se traduit par des fluctuations de pressions significatives qui peuvent provoquer la vaporisation partielle du fluide, c’est à dire la cavitation. L’étude réalisée porte sur les effets de la cavitation sur les performances d'une pompe centrifuge durant des démarrages rapides avec deux objectifs : i) analyser le comportement cavitant de la pompe durant le transitoire, ii) intégrer l’influence de la cavitation dans un modèle existant de prédiction des transitoires de démarrages. Un banc d'essais existant au LML (Laboratoire de Mécanique de Lille) a été adapté pour permettre l'étude des démarrages rapides en cavitation. Des mesures instantanées de couple, de vitesse de rotation, de débit et des pressions à l’aspiration et au refoulement ont permis de caractériser le fonctionnement transitoire de la pompe en fonction des conditions de cavitation. Des visualisations, effectuées à l'aide d'une caméra rapide, ont complété le dispositif expérimental. Le modèle fonctionnel de transitoire de pompe a été amélioré par la prise en compte, à chaque instant du démarrage, de l’atténuation de la performance due à la cavitation, et mesurée dans les mêmes conditions de fonctionnement en stationnaire. Pour tenir compte également des variations de densité locale qui interviennent de façon significative dans les termes transitoires, des mesures par rayons X dans la pompe ont été effectuées en collaboration avec le CEA (Commissariat à L'Energie Atomique). Elles permettent de déterminer localement la fraction volumique de vapeur dans la roue au cours des démarrages rapides en cavitation. Ces résultats pourront à l’avenir être intégrés dans le modèle fonctionnel afin d'optimiser la prédiction du comportement transitoire et cavitant de la pompe.

  • Titre traduit

    Experimental study of cavitating centrifugal pump during fast start-up


  • Résumé

    Abstract : The start-up of rocket engine turbopumps is generally performed in a few seconds only. It implies that these pumps reach their nominal operating conditions after only a few rotations. During these first rotations of the blades, the flow evolution in the pump is governed by transient phenomena, based mainly on the flow rate and rotation speed evolution. The pump transient behavior induces significant pressure fluctuations which may result in partial flow vaporization, i. E. Cavitation. The present study focuses on cavitation induced during the pump start-up with two objectives : i) to analyze the cavitating behavior of the pump during fast start-up, ii) to take into account the cavitation phenomena in the prediction of pump behavior during fast start-up. An existing experimental test rig has been updated in the LML laboratory (Lille, France) for the start-ups of a centrifugal pump. Instantaneous measurements of torque, flow rate, inlet and outlet unsteady pressures, and pump rotation velocity enable to characterize the pump behavior during rapid starting periods. Visualizations with high speed camera are also included in the experimental device. A functional model devoted to the prediction of the pump behavior during fast start-up in non cavitating conditions has been developed previously in the LML laboratory, and it has been modified in the present study by taking into account the stationary head drop due to cavitation. The calibration of the transient terms in cavitating conditions requires the determination of the local density within the impeller. For that purpose, X-rays measurements have been performed during fast starts-up with the collaboration of CEA (French nuclear agency). These results will enable to optimize the prediction.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (193 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.152-153

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  • Bibliothèque : Université de Montpellier. Bibliothèque du LMGC.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH-DUP-2008
  • Bibliothèque : Arts et Métiers ParisTech. Centre d'enseignement et de recherche. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
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