Aérodynamique de turbine radiale non-conventionnel

Aerodynamics of non-conventional radial turbine stages

• Auteur / Autrice : Ulysse Colomer
• Direction : Nicolas Binder
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Dynamique des fluides
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA EDyF Energétique et Dynamique des Fluides
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DAEP Département Aérodynamique Energétique Propulsion

Mots clés

Mots clés libres

Aérodynamique de turbine radiale

Géométrie variable

Corrélations de design

Simulations numérique

Banc de test expérimental

Aerodynamics of radial turbine

Variable geometry

Design correlations

Numerical simulations

Experimental test bench

Résumé

Les turbines radiales sont utilisées avec succès depuis des décennies dans de nombreuses applications de nombreux domaines industriels, allant de l'ingénierie médicale à la production d'énergie ou au transport. Malgré une si longue histoire d'ingénierie, ces dispositifs nécessitent encore des recherches pour améliorer leurs performances. Les défis actuels nécessitent une évolution radicale de certaines architectures de systèmes, qui sont très exigeantes en termes de plages de fonctionnement pour les turbines radiales. L'approche de conception de ces dispositifs doit également évoluer. Moustapha et al. [9] décrivent les tendances de conception recommandées dans la littérature depuis des décennies et généralement appliquées. Les pales de la buse du stator sont conçues pour générer un angle d'écoulement de l'ordre de 75°. À l'entrée du rotor, le réglage des pales est purement radial, initialement pour des raisons mécaniques. Au point de conception, l'angle d'attaque sur le rotor est fortement négatif, de l'ordre de -30°. Une valeur aussi inhabituelle minimise la séparation inévitable se produisant au bord d'attaque des pales et aligne l'écoulement principal avec la direction du canal dans la région du virage méridional. Le rotor est conçu pour minimiser la vitesse d'écoulement dans le canal et le tourbillon résiduel à la sortie. Il a été reconnu comme la meilleure pratique de conception, qui garantit une efficacité optimale. Les corrélations de conception correspondantes produites il y a des décennies [10] sont encore largement utilisées. Cet accord général produit des turbines radiales qui sont efficaces au point de conception, mais sont très similaires d'une à l'autre. Avec le temps, les raisons de ces choix de conception initiaux s'estompent et ne sont plus remises en question. Cependant, lorsque ce consensus établi de longue date est remis en question, certaines lignes changent : Spence et al. [11] ont révisé les conclusions concernant l'influence de la tuyère à aubes, qui était censée augmenter l'efficacité maximale de l'étage. La même équipe de recherche a évalué les conséquences du dogme des aubes radiales, qui est généralement appliqué même sans justification mécanique appropriée [12]. Ces travaux démontrent que les turbines radiales pourraient être encore améliorées et que les anciennes pratiques de conception du rotor ne sont peut-être pas celles adaptées aux spécifications multipoints émergeant des nouvelles architectures, pour lesquelles la plage de fonctionnement et le bon rendement sont cruciaux. De plus, la mise en œuvre de dispositifs à géométrie variable doit être incluse dans le processus de conception, dès le début.

Radial turbines have been used successfully for decades in many applications of many industrial fields, ranging from medical engineering, energy production, or transportation. Despite such a long engineering history, those devices still need some research to improve the performance. Today's challenges require radical evolution of some system architectures, which are very demanding in term of operating ranges for radial turbines. The approach for the conception of those devices also needs some evolution. Moustapha et al. [9] describes the design trends recommended in the literature for decades and generally applied. The stator nozzle blades are designed to generate a flow angle in the range of 75o. At the inlet of the rotor, the setting of the blades is purely radial, initially for mechanical reasons. At the design point, the angle of attack on the rotor is strongly negative, in the range of -30°. Such an unusual value minimizes the unavoidable separation occurring at the blades' leading edge and aligns the main flow with the channel direction in the region of the meridional turning. The rotor is designed to minimize the flow velocity in the channel and the residual swirl at the outlet. It has been acknowledged as the best design practice, which guarantees optimal efficiency. Corresponding design correlations produced decades ago [10] are still widely used. This general agreement produces radial turbines which are efficient at design point, but are very similar from one to another. With time, the reasons for those initial design choices fade out and are no more questioned. However, when those long established consensus are challenged, some lines are changing: Spence et al. [11] revised the conclusions regarding the influence of the bladed nozzle, which was supposed to increase the peak efficiency of the stage. The same research team evaluated the consequences of radial blade dogma, which is generally applied even without proper mechanical justification [12]. These works demonstrate that radial turbines could be further improved and that the old design practices for the rotor may not be the one adapted to the multi-point specifications emerging from the new architectures, for which both the operating range and the good efficiency are crucial. Also, the implementation of variable geometry devices needs to be included in the design process, at the earliest stage.