Développement d'une méthode de simulation de pompage au sein d'un compresseur multi-étagé

Le pompage est un phénomène instationnaire, qui peut apparaître lorsque le compresseur opère à un débit trop faible par rapport à son point de conception. Cette instabilité aérodynamique est caractérisée par de grandes oscillations de pression et de débit, résultant en une perte de puissance soudaine de la turbine à gaz et pouvant créer des dommages importants sur les composants du moteur. La méthodologie développée à travers ce mémoire permet de simuler le comportement du fluide au sein d'un compresseur multi-étagé pendant le phénomène de pompage, et de ce fait prédire, lors de la phase de conception, la variation temporelle des forces aérodynamiques appliquées sur les pales, ainsi que la pression et la température aux points d'extraction d'air dans le compresseur pour le refroidissement des turbines. Bien que le compresseur soit l'élément d'intérêt et déclencheur du phénomène de pompage, le comportement du fluide durant cette instabilité est également dépendant des autres composants du moteur (chambre à combustion, turbine, conduites). Cependant, une simulation numérique de l'intégralité de la turbine à gaz ne peut être effectuée de façon pratique avec les technologies actuelles. L'approche utilisée consiste en un couplage d'une résolution numérique (CFD) 3D des équations moyennées de Navier-Stokes (RANS) du compresseur, avec des équations unidimensionnelles (qui représentent le comportement des autres éléments) appliquées sous forme de conditions limites dynamiques. La méthode fut mise en pratique avec un code commercial CFD RANS (CFX), dont certaines options facilitent l'implémentation des équations 1D aux conditions limites dynamiques du modèle CFD. De plus, afin d'obtenir des temps de calculs raisonnables, un seul passage d'aube par rangée d'aubes du compresseur fut simulé pour capturer le phénomène essentiellement unidimensionnel qu'est le pompage. Cette méthodologie fut appliquée à plusieurs géométries de compresseurs, aux caractéristiques bien particulières. Des simulations sur un compresseur axial multi-étagé, basse vitesse (incompressible), ont notamment permis de valider les résultats obtenus numériquement avec des données expérimentales, montrant que l'amplitude des oscillations en pression et en débit étaient bien capturées. La forte dépendance de la fréquence des oscillations envers le volume du plénum (chambre à combustion) fut notamment mise en avant.

Abstract

Surge is an unsteady phenomenon which appears when a compressor operates at a mass flow that is too low relative to its design point. This aerodynamic instability is characterized by large oscillations in pressure and mass flow, resulting in a sudden drop in power delivered by a gas turbine engine and possibly important damage to engine components. The methodology developed in this thesis allows for the simulations of the flow behavior inside a multi-stage compressor during surge and, by extension, predict at the design phase the time variation of aerodynamic forces on the blades and of the pressure and temperature at bleed locations inside the compressors for turbine cooling. While the compressor is the component of interest and the trigger for surge, the flow behavior during this event is also dependent on other engine components (combustion chamber, turbine, ducts). However, the simulation of the entire gas turbine engine cannot be carried out in a practical manner with existing computational technologies. The approach taken consists of coupling 3-D RANS CFD simulations of the compressor with 1-D equations modeling the behavior of the other components applied as dynamic boundary conditions. The method was put into practice in a commercial RANS CFD code (ANSYS CFX) whose integrated options facilitated the implementation of the 1-D equations into the dynamic boundary conditions of the computational domain. In addition, in order to limit computational time, only one blade passage was simulated per blade row to capture surge which is essentially a one-dimensional phenomenon. This methodology was applied to several compressor geometries with distinct features. Simulations on a low-speed (incompressible) three-stage axial compressor allowed for a validation with experimental data, which showed that the pressure and mass flow oscillations are captured well. This comparison also highlighted the strong dependence of the oscillation frequency on the volume of the downstream plenum (combustion chamber). The simulations of the second compressor demonstrated the adaptability of the approach to a multi-stage compressor with an axial-centrifugal configuration. Finally, application of the method to a transonic compressor geometry from Pratt & Whitney Canada demonstrated the tool on a mixed flow-centrifugal compressor configuration operating in a highly compressible regime.