Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique - UMR 5509

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Instabilités et instationnarités dans les turbomachines

Animation : Xavier Ottavy et Jérôme Boudet

Pertinence des outils pour l’analyse des phénomènes instationnaires
Une avancée incontestable a été réalisée par le groupe sur le développement des moyens d’évaluation des instationnarités de l’écoulement dans les turbomachines tant du point de vue de la mesure, que des simulations numériques et des post-traitements pour l’analyse. Sur bancs d’essais, les chaînes d’acquisition ont été grandement améliorées pour permettre l’acquisition de 48 voies de mesures synchronisées des fluctuations temporelles jusqu’à des fréquences 150kHz dans des environnements hostiles inhérents aux fortes puissances des bancs (thèses N.Buffaz, N.Bulot, N.Courtiade, ECL). Dans les simulations numériques nous avons analysé l’impact de la modélisation de la configuration géométrique, des schémas numériques, de la prise en compte du transfert thermique et du modèle de turbulence. Un modèle de transport d’entropie a mis en évidence le rôle de l’instationnarité dans le couplage thermique fluide/solide sur les performances machines (thèse turbine F.Wlassov, ECL/Cerfacs).

Interactions rotor / stator (IRS)
Dans un écoulement déterministe, on appelle IRS la partie du signal purement instationnaire qui provient des fluctuations temporelles de l’écoulement, soustraction faite de toutes les structures stationnaires dans le repère mobile (ces structures stationnaires dans le repère mobile sont instationnaires dans le repère absolu par simple changement de repère). Une série de Fourier spatio-temporelle appliquée au champ aérodynamique montre que l’écoulement peut être considéré comme une superposition de modes tournants que l’on filtre pour en extraire les IRS (chaque mode spatial étant composé de modes temporels liés aux contributions directes des roues et/ou aux modes d’IRS). Par l’analyse de l’amplitude et de la vitesse de rotation de tous ces modes, une généralisation de l’approche de Tyler et Sofrin pour les machines multi-étages a été proposée (thèse N.Courtiade, ECL). Cela permet aujourd’hui, en utilisant des résultats expérimentaux ou numériques, de :
• quantifier l’énergie des IRS associée à n’importe quelle grandeur aérothermodynamique et d’en déduire leur impact sur les performances machine,
• identifier l’origine des modes d’IRS, pour une meilleure compréhension de l’instationnarité de l’écoulement.
Ainsi, dans le compresseur axial multi-étages CREATE (collaboration avec Snecma), il a été montré que 5% des pertes étaient liées aux IRS et que le mode énergétiquement prédominant en aval des rotors dans la zone proche carter provenait d’une IRS entre le rotor et le stator aval (interaction entre l’écoulement de jeu et les effets potentiels). Dans les compresseurs centrifugesPI4 et PI9 (collaboration avec Turbomeca), une interaction de type « couche limite / gradient de pression adverse » génère des décollements responsables de pertes et d’amorce d’instabilité (cf. section suivante). Dans le cas d’un stator de turbine BP, le niveau de pertes est impacté par une IRS (étage HP / stator BP) dont la complexité est augmentée par la présence conjuguée d’effets de compressibilité et de structures tourbillonnaires fortement instationnaires (thèse P.Gougeon, ECL).

Déclenchement des instabilités
La progression de moyens expérimentaux, numériques et des méthodes de post-traitements ont permis de caractériser finement le développement des instabilités sur des compresseurs axial multi-étages (CREATE) et centrifuges transsonique (PI9) et subsoniques (PI4 et LTS). Pour ces machines centrifuges, les instabilités les plus sévères, conduisant au pompage, sont typiquement générées dans le diffuseur aubé par un décollement de couche limite massif résultant de l’interaction entre la couche limite se développant sur la face en dépression de l’aube du diffuseur dans le coin moyeu ou/et carter avec un fort gradient de pression adverse (onde de choc dans le cas transsonique). D’autres instabilités tournantes ont été caractérisées, soit de type mild-stall résultant de cellules de décollement dues à une sur-incidence au bord d’attaque du rouet (thèse N.Buffaz, ECL) soit de type ‘Kelvin-Helmoltz’ à l’interface entre l’écoulement de jeu en tête d’aubes du rouet et l’écoulement principal (thèse Y.Bousquet, ECL/ISAE). En revanche, sur le compresseur axial CREATE, le déclenchement de l’instabilité dite de pompage n’est pas lié aux IRS. Il est produit par un décollement tournant, lui-même initié par une résonance acoustique (cf figure ci-dessous), c’est-à-dire via l’entrée en résonance d’un mode tournant local piégé entre 2 rotors. Une approche analytique a été utilisée pour analyser et modéliser ce phénomène (thèse N.Courtiade, ECL).

Ces résultats d’analyse obtenus sur des machines très différentes constituent une progression significative et reconnue internationalement (cf. publications) sur la compréhension du déclenchement des instabilités dans les compresseurs haute vitesse.

Instabilité de pompage
L’instabilité de pompage peut être particulièrement destructrice pour la machine, puisque lors du pompage profond, il y a inversion du sens de l’écoulement, la pression peut alors atteindre localement plusieurs fois le niveau de pression moyen. Cette instabilité qui prend naissance dans le compresseur est conditionnée par l’ensemble du système. Par conséquent, une description du champ aérodynamique de l’ensemble compresseur-système est nécessaire pour l’analyse complète du phénomène physique. Une simulation 3D URANS de la machine et du système (avec des hypothèses de périodicité spatiale) a été réalisée pour le cas du compresseur CREATE (thèse F.Crevel, Cerfacs/ECL) et a permis de caractériser pour la première fois l’aérodynamique des différentes phases du pompage. Cependant la lourdeur de ce calcul a motivé une approche numérique par couplage de codes, 3D pour le compresseur et 1D pour le système environnant, qui restitue très justement les résultats expérimentaux et numériques obtenus sur le banc d’essai du compresseur axial CREATE (thèse F.De Crecy, ECL) et sur le banc d’essai d’un compresseur centrifuge automobile à l’École Centrale de Nantes (thèse G.Desprès, ECL). Cela a permis une analyse originale des mécanismes qui pilotent l’instabilité et l’interaction qu’elle génère entre la machine et le système. L’indéniable intérêt de l’approche est justifié par un coût CPU très raisonnable et une restitution de la physique essentielle du phénomène, ouvrant la porte aux exploitations multiples : critères de déclenchement, aide à la conception, mise au point et test de solutions de contrôle, modèles 1D avancés, …