Interactions rotor-stator en turbine : étude de l'effet potentiel remontant

• Auteur / Autrice : Veronique Penin
• Direction : Francis Leboeuf, François Bario, Pascale Kulisa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 13/12/2011
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Azeddine Kourta
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Roger, Tony Arts
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Bois, Thierry Faure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse numérique

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Turbomachines

Mots clés libres

Intéractions rotor-stator

Turbine

Effet potentiel remontant

Turbomachines

Ecoulement instationnaire

Couche limite

Modélisation numérique

Résumé

L’écoulement dans les turbomachines est tri-dimensionnel et instationnaire. Actuellement, les concepteurs de moteurs cherchent à réduire l’encombrement et le poids des machines. En conséquence, les interactions entre les roues, appelées interactions rotor-stator, sont renforcées. Parmi elles, l’effet potentiel remontant n’est désormais plus négligeable malgré sa rapide atténuation spatiale. Dans cette étude, cet effet potentiel remontant a été analysé sur une configuration spécialement conçue : une grille linéaire d’aubes de turbine, suivie de barreaux défilants en aval à une distance de 20% de corde axiale, simulant des aubes de rotor en aval. La grande échelle du banc d’essais facilite l’étude du comportement de la couche limite des aubes de la grille. Des mesures de pression et d’anémométrie laser à deux composantes, synchronisées avec le défilement des barreaux aval sont réalisées. Le nombre de Reynolds, basé sur la corde, est 1.6 × 105. Une grille de turbulence placée en amont de la grille d’Aube afin de pouvoir augmenter le taux de turbulence amont a été utilisée. Des résultats de mesures en absence de cette grille (faible taux de turbulence amont) sont également présentés et analysés. Une modélisation numérique, basée sur un calcul laminaire avec un préconditionnement basse vitesse pour la même configuration, a montré la déformation des lignes de courant de l’écoulement dans le canal inter-aubes, en fonction de la position du barreau aval. La distribution de pression autour de l’aube est également périodiquement modifiée. Les résultats stationnaires expérimentaux, en absence de tout barreau aval, ont révélé un décollement de la couche limite à l’extrados de l’aube à bas taux de turbulence amont(Tu−am = 1.2%) qui est supprimé à haut taux de turbulence amont (Tu−am = 4.2%) ; la couche limite commence alors sa transition par un mode by-pass. Aucun effet instationnaire dans la couche limite n’a été observé à l’intrados, quel que soit le taux de turbulence amont. L’étude instationnaire, avec le défilement des barreaux en aval, a permis de mettre en évidence un décollement périodique de la couche limite à l’extrados à bas taux de turbulence amont (Tu−am = 1.8%). Dans ce cas, la couche limite suit deux modes de transition au cours d’une période : une transition par décollement et une transition bypass. Au contraire, dans le cas à fort taux de turbulence amont (Tu−am = 4.0%), aucun décollement de la couche limite n’a été décelé. La couche limite est sujette à l’effet instationnaire à l’extrados. Elle est devenue turbulente au bord de fuite à tout instant par un mode by-pass. Cette étude a montré que l’effet potentiel issu d’un roue en aval est du même ordre de grandeur que les effets de sillage et doit être pris en compte dans l’analyse des phénomènes. Par des méthodes d’indexation de roues, le décollement de la couche limite pourrait être supprimé.

Turbomachinery designers wish to reduce the size and weight of engines. One way of achieving this is by reducing the distance between rotor and stator elements. In doing so, the rotor-stator interaction becomes more significant. In particular, the long-range influence of pressure potential is no longer negligible, and affects both upstream and downstream flow. Previously, only downstream interactions of blade wakes were considered important. Here we examine the upstream potential effect generated by downstream moving cylindrical rods on an upstream low pressure turbine blade. A large scale rectilinear blade cascade was constructed to improve access to the boundary layer. The Reynolds number, based on the chord, was 1.6 × 105. Pressure measurements and two-dimensional Laser Doppler Anemometry around the blade were performed to study the boundary layer behavior. Recorded data points are phase averaged with the downstream moving cylindrical rods. A grid is placed upstream of the blade cascade to increase the inlet turbulence intensity. A numerical investigation, based on a laminar simulation with low velocity preconditioning method was carried out on the same configuration. The flow streamlines and the pressure distribution around the blade were found to depend strongly on the downstream rod position. No unsteady effects in the boundary layer of the pressure side were observed, for the inlet turbulence intensities used in our study. Steady experimental results revealed a boundary layer separation bubble on the blade suction side at a low turbulence intensity (Tu−in = 1.2%), whereas the boundary layer became turbulent via by-pass transition at a higher turbulence intensity (Tu−in = 4.2%).It is seen that, in the unsteady configuration, at a low turbulence intensity (Tu−in =1.8%), the laminar boundary layer experiences separation once per rod period. Two transition modes were identified that alternate during a rod period : a separation transition mode and a by-pass mode, which were conditioned by the downstream rod position. Ata higher turbulence intensity (Tu−in = 4.0%), no boundary layer separation occurred thereby following a bypass transition mode during an entire rod period. The experimental results presented here demonstrate the large influence of the downstream potential effect generated by a downstream row on the upstream blade boundary layer behavior. In order to improve the efficiency of engines, this effect and its interaction with the wake effect must be taken into account in turbomachinery design.