Post-Surge Flow Prediction in Multi-Stage Compressors

Le pompage est une instabilité aérodynamique uni-dimensionnelle dans une turbine à gaz caractérisée par l'apparition de pulsations axiales allant jusqu'à une inversion globale du sens de l'écoulement et qui est très dommageable pour la performance de l'intégrité physique du moteur d'avion. La capacité de prédire les propriétés de l'écoulement pendant le pompage à différents endroits dans le compresseur aiderait les concepteurs à optimiser le design de plusieurs composantes du moteur pour mieux résister aux forces aérodynamiques impliquées. L'objectif de cette recherche est de développer une méthode rapide et efficace pour prédire la fluctuation des propriétés de l'écoulement à n'importe quelle section dans un compresseur multi-étagés et qui serait utilisable au stage préliminaire de conception du moteur lorsque les détails sur la géométrie du compresseur sont encore limités. Suite à une revue de littérature sur les différentes méthodes pour simuler le pompage, une approche analytique a été choisie. La méthode développée dans ce projet est bâtie sur un modèle analytique de type lumped-parameter proposé il y a plus de trois décennies pour simuler le pompage dans des compresseurs axiaux de basse vitesse (écoulement incompressible). Ce modèle traitait le compresseur comme un semi-actuator disk à travers duquel l'augmentation de pression instantanée est obtenue à partir d'une courbe caractéristique en régime-permanent moins l'effet de l'inertie du fluide dans le compresseur. Le compresseur ainsi modélisé est couplé à une modèle 1-D des composantes en aval, soient un plenum pour la chambre à combustion et une valve pour la turbine. À travers ce travail, ce modèle a été amélioré en appliquant l'augmentation de pression en régime permanent et l'effet d'inertie du fluide aux sous-sections du compresseur pour facilement prédire les fluctuations de pression à l'intérieur du compresseur une fois que la prédiction du pompage pour le compresseur en entier ait été obtenue. La démonstration analytique de l'applicabilité de ce modèle aux compresseurs non-axiaux a été faite. Ce modèle incompressible a été appliqué à trois géométries de compresseurs différentes pour lesquels des données expérimentales et/ou de simulations numériques de l'écoulement (CFD) pour le pompage sont disponibles. Ces géométries sont un compresseur axial de basse vitesse (incompressible) de trois étages, un compresseur axial-centrifuge de basse vitesse et un compresseur industriel non-axial bi-étagé de haute vitesse (régime hautement compressible).

Abstract

Surge is a one-dimensional aerodynamic instability originating in the compressor of gas turbine engines. It is characterized by the appearance of axial fluctuations that can involve reversal of the flow throughout the engine. Surge is damaging both to the performance and the physical integrity of the engine. The ability to predict the flow properties during surge at different points inside the compressor will help designers optimize the design of engine components to better withstand the aerodynamic loads involved. The objective of this research is to develop a rapid and efficient method to predict fluctuation in flow properties at any section inside a multi-stage compressor that can be used in the preliminary stage of the engine design where only limited information is available on the compressor geometry. Following a literature review of different methods for simulating surge, an analytical approach was chosen. The method developed in this project is built upon an analytical lumped-parameter model proposed over three decades ago to simulate surge in low-speed (incompressible flow) axial compressors. This model treated the compressor as a semi-actuator disk across which the instantaneous pressure rise is obtained from a steady-state pressure rise characteristic curve minus the effect of fluid inertia in the compressor. The modelled compressor is coupled with 1-D models for downstream components, namely a plenum representing the combustor and a throttle valve replacing the turbine. Through the current work, this model is enhanced by applying the same steady pressure rise and fluid inertia effect to subsections of the compressor to easily predict pressure oscillations inside the compressor once the surge prediction for the entire compressor has been obtained. This model is also shown analytically to be also applicable to non-axial compressors. The incompressible model was applied on three different compressor geometries with available test and/or CFD surge data, namely a three-stage low-speed (incompressible) axial compressor, a low-speed axial-centrifugal compressor and an industrial high-speed two-stage (highly compressible) non-axial compressor. The results show that this simple model which is easy and fast to set up and run performs quite well in predicting the surge cycle shape, fluctuation amplitude and frequency for the overall compressor and for a location inside the compressor (at least on the low-speed axial compressor) in spite of uncertainty in speedline shape estimation and the incompressibility assumption.