Stall Margin Prediction and Improvement for Mixed Flow Compressors

Les instabilités aérodynamiques dans les compresseurs sous la forme du décrochage tournant (rotating stall) et du pompage (surge) sont des phénomènes connus qui limitent l'enveloppe d'opération des turbines à gaz. Le décrochage tournant est caractérisé par la formation d'une cellule d'écoulement de vitesse déficiente qui tourne à une fraction de celle du compresseur alors que le pompage est une oscillation axisymétrique de l'écoulement à travers la turbine à gaz. Ce dernier mène à une chute soudaine de la puissance du moteur et entraîne souvent des pompages au moteur. Une marge de sécurité doit être mise entre le point d'opération et le point de pompage à la même vitesse de rotation, et est connue sous le nom de 'surge margin'. Comme le décrochage tournant dans le compresseur est souvent à l'origine du pompage dans le moteur, le surge margin est l'équivalent du"stall margin" (ou marge au décrochage tournant) lorsqu'on considère le compresseur tout seul. Vu son importance, on a besoin de pouvoir prédire le point de décrochage (tournant) durant la phase de conception du compresseur afin de pouvoir déterminer avec précision le stall margin. Il est aussi nécessaire de développer des stratégies efficaces pour retarder le point de décrochage afin d'augmenter un stall margin insuffisant sans pénaliser la performance du compresseur au point de design. Au niveau de la prédiction du décrochage tournant, la recherche récente a proposé des critères prometteurs liés à l'écoulement de jeu d'aube pour prédire pour des compresseurs axiaux le décrochage tournant de type pip initié par des perturbations à courte longueur d'onde, qui est le type le plus commun dans les compresseurs modernes. Les traitements de carter, sous la forme de fentes dans le carter au-dessus des rotors, ont été étudiés depuis plusieurs décennies comme une technologie de suppression passive du décrochage tournant. Cependant, leurs conceptions ont été empiriques et augmentent souvent le stall margin au dépend du rendement optimal du compresseur. Bien que certains travaux récents ont indiqué la possibilité d'obtenir des traitements de carter par fentes axiales qui peuvent prévenir la perte du rendement optimal dans les compresseurs axiaux, il n'existe aucune règle de conception systématique pour permettre d'optimiser l'augmentation du stall margin tout en prévenant la perte du rendement optimal.

Abstract

Compressors are known to exhibit aerodynamic instabilities in the form of rotating stall and surge that limit the operational envelope of gas turbine engines. Rotating stall is characterized by the formation of a flow cell with a velocity deficiency that rotates at part of the compressor speed while surge is an axisymmetric flow oscillation across the entire engine. The latter leads to a sudden drop in engine performance and often to engine damage. A safety margin, often referred to as "surge margin" is provided between the compressor rotating stall usually leads to engine surge, surge margin is really equivalent to "stall margin" (or rotating stall margin) when considering the point at the compressor design stage, in order to accurately predict the stall margin. It is alson necessary to develop effective stall suppression technologies that can delay the stall point to extend insufficient stall margin and do so without degrading compressor performance near its design point. In terms of stall prediction, recent research proposed promising criteria for axial compressors linked to tip clearance flow to predict short length-scale (spike) stall inception, which is the most commonly found route to rotating stall in modern compressors. Casing treatments, in the form of grooves and slots places on the shroud over the rotors, have been studied for serveral decades as a passive stall suppression technology. However, their designs have been arbitrary and often trade compressor peak efficiency for stall margin improvement. While some recent works have shown the possibility of obtaining slots casing treatments that prevent loss in efficiency on axial compressors, there are no systematic design rules to optimize stall margin improvement while preventing peak-efficiency loss. Furthermore, the large majority of the researches on both of these aspects have so far been conducted on axial compressors, which is the most widely used type in aero-engines. However, virtually no such research has been carried out on mixed flow compressors is a hybrid between an axial and a centrifugal compressor, providing higher stage pressure ratio than axial compressors.