Analyse des instabilités et de la restabilisation d'un rouet centrifuge à régime partiel

Analysis of the aerodynamic instabilities and restabilization of a centrifugal impeller at partial regime

• Auteur / Autrice : Julissa Grondin
• Direction : Isabelle Trebinjac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 27/06/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustique (Rhône ; Ecully, Rhône ; 1962)
• Jury : Président / Présidente : Julian Scott
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Trebinjac, Sofiane Khelladi, William Riera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Gourdain, Eric Serre
• DOI : 10.70675/414ae08ezbbf2z41c2z98b5zbcccd3cb12a0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Compresseurs

Instabilités hydrodynamiques

Mots clés libres

Compresseur

Centrifuge

Instabilités aérodynamiques

Turbomachine

Décollement tournant

Instabilités tournantes

RANS

URANS

Modèle de Moore-Greitzer

Compressor

Centrifugal

Aerodynamic instabilities

Turbomachinery

Rotating stall

Rotating instabilities

RANS

URANS

Moore-Greitzer model

Résumé

Ce manuscrit présente une étude numérique des instabilités aérodynamiques dans le compresseur centrifuge Turbocel, actuellement en essais au LMFA. L’étude vise à mieux comprendre les mécanismes des instabilités tournantes et de la restabilisation à bas débit observées dans le compresseur à régime partiel. L’étude est restreinte au rouet seul sans prendre en compte les autres composants de l’étage (Roue Directrice d’Entrée et diffuseur radial), au moyen de simulations RANS et URANS d'un seul canal (conditions de périodicité aux frontières latérales), à une iso-vitesse à régime partiel. Le code utilisé est le code elsA.Les simulations RANS sont capables de reproduire la forte augmentation du taux de pression du rouet observée à bas débit en essais. D’après les simulations ce comportement résulte d’une forte augmentation du travail transmis par les pales au fluide, coïncidant avec le développement d’un écoulement de retour en tête dans l’inducteur du rouet. Celui-ci s’initie entre le bord d’attaque des pales principales et celui des pales intercalaires, peu avant le pic de la caractéristique de taux de pression du rouet. Il commence par l’inversion du fluide issu du décollement au bord d’attaque des pales principales, après sa remontée jusqu’au carter et son transport par le jeu. La zone de recirculation s’étend lorsque le débit diminue, à la fois vers le moyeu et au-delà des plans d’entrée et de sortie du rouet. Les simulations URANS permettent ensuite de caractériser l’écoulement instationnaire dans le rouet. Bien que restreintes à un unique canal, elles captent l’apparition de structures tournantes dans l’inducteur du rouet, dans la zone à pente positive de la caractéristique de taux de pression issue des calculs RANS. Dans les deux zones à pente négative en revanche les champs restent stationnaires, identiques à la solution RANS. Les structures observées diffèrent du décollement tournant dans son acceptation classique car leur propagation n'est pas due à un effet de répartition du débit d’un canal à l’autre (puisqu’il n’y a qu’un seul canal), mais à la propagation d’une structure tourbillonnaire lâchée par un décollement au bord d’attaque et convectée par l’écoulement de jeu autour de la circonférence. La comparaison avec les résultats expérimentaux montre que ces structures reflètent correctement les cellules observées en essais. Les simulations mono-canal sont en outre validées par une comparaison à une simulation 360° sur un point de fonctionnement pour lequel l’instabilité est pleinement développée. En l’absence de perturbation extérieure et sans les autres composants de l’étage, le résultat du calcul 360° reste identique au calcul mono-canal sur le temps de calcul simulé, avec autant de structures tournantes que d’aubes. Dans les calculs la présence de ces structures tournantes coïncide avec des oscillations de débit importantes dans tout le domaine. Ces oscillations sont attribuées au fait que le nombre de cellules est égal au nombre d’aubes du rouet, de manière similaire à une interaction rotor-stator entre un rotor et un stator de même nombre d’aubes. D'autre part les performances moyennes sont supérieures aux performances obtenues en RANS. Pour tenter de comprendre pourquoi, des résultats illustratifs avec le modèle analytique de pompage et de décollement tournant de Moore-Greitzer sont présentés pour un cas axial. Ce modèle prédit des performances moyennes supérieures à la caractéristique dite sous-jacente du compresseur, ce qui fournit une piste d'explication. Enfin, le modèle de Moore-Greitzer ne capte pas les oscillations de débit observées dans les calculs. Cela suggère qu'il serait intéressant d'intégrer dans le modèle un mécanisme d'interaction rotor-stator entre les cellules de décollement tournant et les aubes.

This work presents a numerical investigation of the aerodynamic instabilities occurring in the centrifugal compressor Turbocel, which is currently tested at the LMFA laboratory. The study aims at better understanding the mechanisms of these instabilities, as well as the mechanisms of the restabilization which is observed in the compressor at low mass flow rates and partial regime. The computational domain is restricted to the isolated impeller without the other components of the stage (Inlet Guide Vane and radial diffuser). RANS and URANS simulations are carried out on a single channel of the impeller, with the elsA solver. RANS simulations are able to capture the strong increase in impeller pressure ratio, which is observed in the tests at low flow rate. The simulations show that this increase results from a strong rise in the work transferred to the flow by the blades. This coincides with the initiation of a reversed flow zone in the impeller inducer, in the zone between the main blades and the splitter blades leading edges. The first flow particles to reverse are those coming from a stall zone on the main blade leading edge, after they have gone up to the shroud and have been transported by the tip clearance flow. This recirculation zone extends towards both the hub and the inlet when the mass flow decreases. Secondly, URANS simulations are used to characterize the unsteady flow in the impeller. Albeit restricted to a single channel, these simulations capture the existence of rotating structures in the impeller inducer, at mass flow rates which correspond to the positively-sloped part of the pressure ratio performance curve obtained from RANS results. On the other hand, in the two negatively-sloped parts of the characteristic, the field remains steady and equal to the corresponding RANS solution. The simulated rotating structures differ from classical rotating stall because their propagation is due to a convection effect by the tip flow around the circumference, rather than a mass flow repartition between the different channels. The numerical results are then validated against experimental results, and against a full-annulus simulation as well. Without external perturbation, the results of the full-annulus and isolated channel simulations remain identical during the simulated time. In the computations the presence of such rotating instabilities coincides with mass flow rate oscillations in the whole computational domain. The latter are attributed to a mechanism of rotor-stator interaction between the blades and the stall cells, due to the fact that the number of blades and the number of stall cells are equal. Moreover, when these stall cells are observed in the simulations, the average performance of the impeller is higher than the RANS performance. Illustrative results with the analytical model of Moore-Greitzer for surge and rotating stall are presented in an axial configuration. They also result in a performance which stands above the steady, underlying characteristic of the compressor. Finally, the Moore-Greitzer model proves to be unable to capture the mass flow rate oscillations which are observed in the simulations. As an outlook, this suggests to integrate the rotor-stator interaction between the rotating stall cells and the blades in the analytical model, in order to improve the fast prediction of aerodynamic instabilities in the future.