Aspects expérimentaux et théoriques des instabilités de cavitation dans les turbopompes de moteurs de fusée

par Jean de Bernardi

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Jean-Louis Kueny et de Florence Joussellin.

Soutenue en 1996

à Grenoble INPG , en partenariat avec Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Georges Lespinard.

Le jury était composé de Ph. Geai.

Les rapporteurs étaient Patrick Ferrand, Guy Caignaert.

mots clés

• Turbomachines
• Turbopompes
• Cavitation
• Instabilités
• Vibrations
• Moteur fusée
• Rocket
• Engine
• Centrifugal pump
• Space application
• Hydrodynamic instability
• Cavitation

Résumé

Les instabilités hydrauliques et les efforts radiaux générés par la cavitation partielle sur un inducteur de turbopompe ont été étudiés en eau pour les inducteurs des turbopompes à hydrogène et à oxygène du moteur VULCAIN d’ARIANE 5. Nous avons pu établir une méthode d’identification et d’analyse des instabilités à l’aide de la synchronisation de films rapides avec des mesures d’effort, sur l’axe et avec des signaux de pression instationnaire en paroi. Des fréquences caractéristiques du phénomène de cavitation instationnaire ont alors été identifiées à différents points de fonctionnement. Cette analyse démontre clairement l’évolution des efforts radiaux avec le nombre de cavitation : (1) constant, (2) rotatif supersynchrone, (3) chaotique, (4) constant. L’évolution de la charge radiale apparaît corrélée avec les configurations cavitantes. Les instabilités des inducteurs cavitants à 4 pales ont été expliquées qualitativement et les déséquilibres ont été estimés en terme d’efforts et de longueurs de cavités. Cette étude a été complétée par une modélisation théorique de l’inducteur basée sur la théorie des semi-disques d’action dans laquelle le volume cavitant est le paramètre principal. Une méthode de mesure de ce volume dans l’inducteur tournant a alors été proposée et expérimentée

Titre traduit

Experimental and theoretical aspects of cavitation induced instabilities in rocket engine turbopumps

Résumé

Hydraulic loop instabilities and radial forces generated by partial cavitation on a turbopump inducer were investigated in water with the 4-bladed inducers of the ARIANE 5 VULCAIN engine liquid hydrogen and oxygen turbopumps. With the help of the synchronization of high speed movies with radial load measurements on the inducer shaft and with the dynamic pressures signals, we could establish an identification method and an analysis approach to the instabilities in a turbopump cavitating inducer. Characteristic frequencies of unsteady cavitation phenomenon were identified at various operating points. This analysis clearly demonstrates the evolution of radial loads with cavitation number : (1) constant, (2) rotating and supersynchronous, (3) chaotic, (4) constant. The evolution of radial load is strongly related to cavitation configurations. Instabilities of cavitating 4-bladed inducer have been explained qualitatively and imbalances have been estimated in terms of radial loads and cavity lengths. This study has been completed by a theoretical model of the inducer based on the actuator disk theory in which the cavitating volume appears to be the main parameter. A measuring method of the cavitating volume in the rotary inducer is therefore proposed which could give results with a 90% accuracy