Mesures par anémométrie laser dans un compresseur axial transsonique : Etude des structures instationnaires périodiques

par Xavier Ottavy

Thèse de doctorat en Sciences et techniques

Sous la direction de Francis Leboeuf.

Soutenue en 1999

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .

mots clés

• Turbine gaz, compresseur axial, écoulement transsonique, onde de choc, sillage, écoulement instationnaire, visualisation écoulement, étude expérimentale, vélocimétre laser, distorsion, hublot
• Turbomachines -- Compresseurs
• Vélocimétrie laser Doppler
• Ondes de choc

Résumé

Les compresseurs haute pression multi-étages sont parmi les composants les plus critiques du turboréacteur. De par la succession des parties fixes et mobiles, les machines transsoniques multi-étages induisent des phénomènes locaux fortement instationnaires, qui affectent leur performances. Or, les mécanismes de base concernant la génération, le développement et la dissipation de ces phénomènes instationnaires sont encore très mal compris et Souvent négligés dans les procédures conventionnelles de conception et de dessin. Par ailleurs, les codes de calculs tridimensionnels, instationnaires, visqueux, en configurations multi-étages, ne sont pas encore opérationnels. Dans ce contexte, il se fait sentir un besoin de données expérimentales fines, détaillées, et autant qu'il se peut instationnaires. Une analyse du champ aérodynamique à l'amont de la roue mobile du compresseur axial transsonique ECL4, conçu et réalisé par SnECMA, a été menée à partir de résultats instationnaires périodiques obtenus par vélocimétrie laser L2F-2D. Notre étude s'inscrit dans les travaux menés au laboratoire pour étendre l'applicabilité de l'anémométrie L2F aux machines haute vitesse. Elle a en particulier porté sur l'amélioration des accès optiques au compresseur. Afin de garantir un large champ d'exploration, sans introduire de discontinuité géométrique dans la veine, l'utilisation de verres courbes est requise. Une étude des distorsions optiques du faisceau laser au passage de hublots courbes a donné lieu à une méthode de correction optique originale employant un verre correcteur, restituant une qualité du volume de mesure équivalente, si ce n'est meilleure, à celle induite par des verres plans. Les résultats de l'expérience confrontés à ceux d'une méthode analytique développée à partir d'un couplage proposé par Starken, et d'une simulation numérique PROUST se sont montrés très cohérents. Ils ont permis, en outre, d'illustrer tout l'intérêt d'utiliser des méthodes analytiques simples pour définir la résolution spatiale tant du point de vue numérique (constitution du maillage) que du point de vue expérimental (localisation des points de mesures). De plus, les résultats acquis ont montré la capacité d'obtenir des informations précises sur la structure fine de l'écoulement, telles les variations de l'amplitude du sillage RDE résultant des interactions successives avec les ondes de détente et de choc défilant avec la roue mobile. Ce phénomène est par ailleurs confirmé à travers une étude de l'évolution de la vorticité associé à ce sillage. Par ailleurs, il a été possible de quantifier les corrélations des fluctuations purement instationnaires intervenant dans la décomposition d'Adamczyk. Déjà en amont de la roue mobile, elles sont du même ordre de grandeur que les fluctuations spatiales dues au choc oblique, alors qu'elles sont actuellement négligées dans les modèles de fermeture des équations du canal moyenne. On peut donc s'attendre à ce que ces corrélations soient encore plus importantes à l'intérieur de la roue mobile, où sont présentes de multiples sources d'instationnarité (choc fort, interactions visqueuses. . . ).

Titre traduit

Laser anemometry measurements in a transonic axial compressor. Study of unsteady periodic phenomena.

Pas de résumé disponible.

Résumé

A flow field analysis upstream of the rotor of the ECL4 transonic axial compressor, designed and built by SNECMA, has been made from the unsteady periodic results obtained with the L2F-2D anemometry technique. One objective of this work is to improve the applicability of L2f anemometry to high speed turbomachinery. Particular care has been paid to the improvement of the optical access. Curved glasses,which conform to the shroud contour, have been used in order to avoid any mismatch between the windows and the casing and to prevent any impact on the flow field. The resulting optical distortions of the control volume, which could hinder the acquisition of any data, have been corrected using an original and inexpensive optical assembly. The time dependant results are analyzed in the IGV-rotor inter-row. The aim of this analysis is, one the one hand, to improve our understanding of the unsteady flow phenomena. A study of the interaction between the IGV wakes and the shock waves emanating from the leading adge of the rotor blades proves the increase in magnetude of the wake passing through the moving shock. This result is highlighted by the streamwise evolution of the wake vorticiry. On the other hand the purely time-dependant velocity fluctuations which occur in the time averaging procedure, developed by Adamczyk, are quantified. It may be concluded that they are of the same order of magnitude as the spatial terms for the inlet rotor flow field. This shows that the temporal fluctuations should be considered for the 3D rotor time-averaged simulations.