Définition, analyse et optimisation d'un nouveau concept de traitement de carter au moyen d'outils numériques : application aux turbomachines basse vitesse

par Laurent Soulat

Thèse de doctorat en Mécanique, energétique, génie civil et acoustique

Sous la direction de Pascal Ferrand.

Le président du jury était Stéphane Moreau.

Le jury était composé de Isabelle Trebinjac, Manuel Henner, Pierre Biscay.

Les rapporteurs étaient Olivier Leonard.


  • Résumé

    Pour les turbomachines, les écoulements de jeu entre parties mobiles et fixes peuvent être une source non négligeable de dégradation des performances. Afin de contrer ces écoulements, on fait souvent appel à un traitement de carter. Cette étude est axée sur la définition, l'analyse et l'optimisation d'un nouveau concept de traitement de carter applicable aux turbomachines basse vitesse. Plusieurs outils numériques sont nécessaires pour mener à bien cette étude. Pour la simulation numérique, il convient de disposer de schémas spatiaux adaptés aux maillages non-uniformes, lesquels sont développés ici. L'analyse pratique du traitement de carter fait intervenir une technique de dérivation d'ordre élevé du champ aérodynamique, permettant ensuite une reconstruction rapide des différentes géométries et des champs aérodynamiques associés. Cette technique de dérivation est couplée avec un algorithme génétique afin d'optimiser le traitement de carter. Un outil d'analyse et de visualisation du front de Pareto est alors employé. Le nouveau traitement de carter proposé est un rainurage hélicoïdal du carter. Ce dispositif est utilisé pour réduire le débit de jeu et la giration de l'écoulement de jeu dans le cas de turbomachines présentant une virole. Le traitement de carter est modélisé afin de valider le concept même du rainurage. L'analyse des performances montre une amélioration par rapport à un jeu standard. L'étude du champ aérodynamique associé aux rainures fait ressortir des structures tourbillonnaires complexes et couplées. Une étude paramétrique permet de caractériser finement le comportement du nouveau traitement de carter relativement aux paramètres géométriques définissant la forme des rainures. On valide l'ensemble des variations obtenues avec la méthode de dérivation d'ordre élevé. Le rainurage est alors optimisé en utilisant la base de donnée constituée par ces variations. L'analyse du front de Pareto permet de choisir une configuration optimale de traitement de carter. Cette solution est appliquée à un ventilateur de refroidissement. L'écoulement et les performances de l'ensemble [rotor+traitement de carter] sont étudiés précisément. Dans cette configuration, on améliore remarquablement les caractéristiques de l'écoulement de jeu.


  • Résumé

    The flow in the gap between moving and static parts of turbomachines is responsible for a important drop in performance of the overall system. A casing treatment is a usualy applied in order to restrain these flows. The main purpose of this study is the definition, the analysis and the optimization of a new concept of casing treatment designed for low speed turbomachines. Several numerical tools and techniques are required to carry out this study. Numerical simulation requires some acurate spatial schemes designed for non-uniform meshes. The development of these differentiation technique that allows a quick reconstruction of the flowfields with respect to any given geometry. A genetic algorithm is associated to this reconstruction technique in order to optimize the casing treatment. A data-mining tool is thereafter necessary to process the result. The new casing treatment consists in an helicoidal grooving of the casing. It aims at reducing the massflow and the swirl of the leakage gap flow within turbomachines with shrouded rotors. The casing treatment is modelized and simulated so as to validate the grooving concept. The performance criteria analysis shows an improvement compared to the standard gap. One finds a complex flow structure in the grooves. Several interacting vortices are noticed in the flowfield. A fine characterization of the casing treatment's behaviour is achieved by a parametric study of the geometrical parameters defining the grooves shape. Aerodynamic performance variations calculated with the differentiation technique are validated. The casing treatment is optimized using the variation database. The resulting Pareto front is analyzed and a single optimal configuration is chosen. This solution is applied to a cooling fan. We precisely describe and analyse the flowfield and the aerodynamic performance for the complete set [rotor+casing treatment]. The casing treatment allows a drastic improvement of the gap flow in this configuration.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2010 par Ecole centrale de Lyon à Ecully

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Informations

  • Sous le titre : Définition, analyse et optimisation d'un nouveau concept de traitement de carter au moyen d'outils numériques : Application aux turbomachines basse vitesse
  • Détails : 1 vol. (XXVIII-356 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 345-356
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