Étude expérimentale de l'interaction aérodynamique rotor-rotor pour un compresseur centrifuge contrarotatif

Experimental study of the rotor-rotor aerodynamic interaction of a counter-rotating centrifugal compressor

• Auteur / Autrice : Van Thang Nguyen
• Direction : Farid Bakir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 31/08/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Fluides et des Systèmes Énergétiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Carbonneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Bakir, Pascal Chesse, Miguel Asuaje, Kamel Azzouz, Amélie Danlos, Richard Paridaens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Chesse, Miguel Asuaje

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rendement mécanique

Turbomachines -- Compresseurs

Mots clés libres

Contrarotatif

Co-rotatif

Intercation rotor-rotor

Améliorer du pompage

Compresseur centrifuge

Couter-rotating

Co-rotating

Improved surge

Centrifugal compressor

Rotor-rotor interaction

Résumé

L’objectif de la thèse est d’étudier d’une part l’effet du système contrarotatif surles performances du compresseur centrifuge et d’autre part l’influence de le système sur lazone de pompage lorsque le débit massique est très faible. Le mono rotor du compresseurcentrifuge conventionnel est remplacé par deux rotors qui tournent en sens inverse et ayantla même taille. Les autres composants du compresseur sont préservés. L’étude expérimentalemontre que l’utilisation d’un système contrarotatif améliore non seulement les performancesdu compresseur à des vitesses de rotation inférieures à la vitesse de conception, mais diminueaussi la zone de pompage. Le compresseur fonctionnant en mode contrarotatif offre unmeilleur taux de compression ainsi qu’un meilleur rendement que le compresseur conventionnel.Pour améliorer la zone de pompage, un mode de co-rotation est adopté pour permettreau compresseur de fonctionner à un débit inférieur à celui du compresseur de référence. Lalimite du pompage est alors repoussée jusqu’à 24%-28% de la plage de fonctionnement ducompresseur, vers les débits plus faibles. Le point limite est atteint lorsque la vitesse derotation du rotor en amont est comprise entre 48% et 64% de celle du rotor en aval. Lesrésultats de cette étude jouent un rôle important dans le développement d’une nouvellegénération de compresseur centrifuge pouvant fonctionner sous un très faible débit massique.

The objective of the thesis is to study the effect of the counter-rotatingsystem on the performance of centrifugal compressors and the ability to improve a surgeregion when the flow is very low flow rate. The single rotor of the conventional centrifugalcompressor is replaced by two counter-rotating rotors, which have the same size. Theremaining components of the compressor are preserved. Experimental results show that theuse of a counter-rotating system not only improves the performance of the compressor atrotational speeds lower than the design speed but also decreases the instability region. Thecompressor operating in counter-rotating mode gives a better pressure ratio as well as abetter efficiency than the conventional compressor. A co-rotation mode is adopted to allowthe compressor to operate at a lower flow rate. The instability limit of the compressor isthen pushed back from 24% to 28% of the operating range towards the lower flow rates.The limit point is reached when the upstream rotor speed is between 48% and 64% of thedownstream rotor speed. The results of this study play an important role in the developmentof a new generation of centrifugal compressor that can operate at a very low mass flow rate.