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).