Modélisation et analyse des mécanismes impliqués dans l’apparition du pompage d’un étage de compresseur centrifuge

Stall inception analysis in a centrifugal compressor stage

• Auteur / Autrice : Yannick Bousquet
• Direction : Xavier Carbonneau, Isabelle Trebinjac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Soutenance le 02/04/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département aérodynamique, énergétique et propulsion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement instationnaire (dynamique des fluides)

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Compresseur

Pompage

Décrochage

Instationnaire

Simulation

Compressor

Surge

Stall

Unsteady

Simulation

Résumé

Le présent travail s'inscrit dans le cadre d'une convention CIFRE entre Liebherr-Aerospace Toulouse SAS et le Département d'Aérodynamique Energétique et Propulsion (DAEP) de l'ISAE. L’étude porte sur l'analyse des mécanismes responsables de la perte de la stabilité d'un étage de compression centrifuge. L'objectif industriel sous-jacent est l'élargissement de la plage de fonctionnement stable des compresseurs. Les travaux sont abordés par voie numérique à l'aide du code de calcul elsA, développé par l'ONERA et le CERFACS. Les simulations instationnaires sont effectuées sur la circonférence complète des roues.La topologie de l'écoulement est analysée dans un premier temps selon trois points de fonctionnement stables répartis sur la courbe caractéristique de l'iso-vitesse de design. Cette analyse permet de décrire l'évolution des phénomènes lorsque le débit est réduit. Au voisinage de la ligne de stabilité, l'excès d'incidence sur les aubes du rouet déclenche le décollement de la couche limite sur la face en d’expression. Le guide issu de la zone décollée migre en direction du carter et alimente l'écoulement de jeu. En conséquence, le déficit de vitesse au voisinage du carter s'intensifie et un lâcher périodique de structures tourbillonnaires apparaît à l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal.La perte de la stabilité de l'étage s’établit suite à la naissance d'une perturbation de type « modal » au sein de l'espace lisse. Cette dernière induit de fortes distorsions circonférentielles dans l'étage de compression mais affecte plus particulièrement l'écoulement à l'entrée du rouet. Sur la moitié de la circonférence, l'interface entre les écoulements secondaires et l'écoulement principal ainsi que les structures tourbillonnaires sont déplacées en amont du front de grille. Le taux total-total du rouet chute de manière brutale et entraîne la perte de la stabilité de l'étage.Enfin, la dernière partie de ce travail est dédiée à la mise en place de critères adaptés au modèle stationnaire mono-canal utilisé chez LTS. Ces critères seront utilisés pour améliorer la prédiction de la ligne de pompage en phase de design. Dans un premier temps, la pertinence de l'utilisation du modèle stationnaire au voisinage de la ligne de stabilité est évaluée. Dans un second temps, les influences de la vitesse de rotation et de la géométrie de l’étage sur la topologie sont étudiées.Deux situations sont jugées critiques vis-à-vis de la stabilité. La première concerne l'alignement de l'interface entre l'écoulement de jeu et l'écoulement principal avec le front de grille. La deuxième concerne l'opération du compresseur avec un angle d'écoulement en sur-incidence sur les aubes du diffuseur qui s'établit sur toute la hauteur de veine.

This work results from a CIFRE partnership between Liebherr-Aerospace Toulouse SAS and the Aerodynamics, Energetics and Propulsion Department (DAEP) of ISAE. The main objective is to investigate the mechanisms responsible of the stall onset in a centrifugal compressor operating at the nominal rotational speed. It is part of a larger work which aims at extending the stable operating range of compressors integrated in air conditioning system. The analyses are based on the results of unsteady simulations, in a calculation domain comprising all the blade passages. They are performed with the elsA software developed by ONERA and CERFACS.The investigations show the modifications of the unsteady flow pattern when the mass flow is reduced along the speed line. Near the stability limit, the high incidence angle on the impeller blade leads to a boundary layer separation on the suction side. The fluid in the separation zone moves toward the shroud and enlarges the low momentum flow zone generated by the leakage flow. The interface between the leakage flow and the main flow becomes unstable to the extent of a periodic vortex formation.The path to instability is driven by the growth of a small amplitude disturbance (modal wave) rotating in the vaneless space. The length scale of the wave is equal to the compressor circumference. This perturbation induces distortions and alters the flow characteristics in every location of this subsonic stage, and more specifically the impeller inlet flow structure: the unstable interface between the main flow and the leakage flow is periodically moved upstream of the leading edge plane causing a significant drop of the impeller total-to-total pressure ratio. The last part of this work concerns the definition of criteria which can improve the surge line prediction during the design process in an industrial environment. Therefore, they are adapted to the numerical steady model using the mixing plane approach. To do so, the capacity of the steady model to predict the flow structure when the compressor operates near stall is investigated. Then, the effects of the rotational speed and of the compressor geometry are evaluated. Theses two steps have permitted to define two critical situations regarding the stage stability. The first one is related to the alignment of the interface between the main flow and the leakage flow with the leading edge plane. The second one concerns the compressor operation with positive incidence on the diffuser vane, along the full span.