Passive Flow Control at Impeller Radial Bend for Stall Delay in Centrifugal Compressors with Fishtail Pipe Diffusers

Par leurs hauts rapports de pression par étage, les compresseurs centrifuges ont le potentiel d'être utilisés sur des moteurs à haut taux de dilution d'avions de ligne afin de réduire la longueur, le poids et la complexité de ces moteurs, si seulement leurs rendements isentropiques et marges de décrochage peuvent être améliorés. Cette recherche propose une nouvelle stratégie pour augmenter la marge de décrochage via le contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur plus tôt qu'à son bord d'attaque comme ce fut le cas auparavant. Comparée au bord d'attaque, la région du coude de l'impulseur présente moins de contraintes géométriques et est potentiellement plus efficace au niveau de l'effet du contrôle passif sur les structures d'écoulement à basse quantité de mouvement qui peuvent mener au décrochage. Cette recherche vise à faire une première évaluation de cette stratégie, à élucider le mécanisme par lequel elle peut efficacement retarder le décrochage et à évaluer son impact sur les pertes et le rendement isentropique au débit massique de conception. Deux compresseurs centrifuges avec des diffuseurs à tubes de type fishtail (le type de diffuseur le plus commun dans la motorisation aéronautique) ont été choisis pour études: une géométrie à haute vitesse (transsonique) pour lequel le décrochage est initié dans le diffuseur et une géométrie à basse vitesse (bas subsonique) dont le décrochage commence dans la partie avale de l'impulseur. Quatre techniques de contrôle passif de l'écoulement placé sur le carter au coude de l'impulseur ont été proposées, soit une rainure circonférentielle, des fentes, un tube de recirculation dans l'impulseur et un tube de recirculation diffuseur-impulseur. Des simulations numériques de l'écoulement de type RANS CFD ont été faites pour chaque compresseur sans et avec chacune des quatre techniques de contrôle de l'écoulement pour confirmer la composante responsable du décrochage et comprendre le mécanisme de décrochage; pour élucider le mécanisme par lequel une technique efficace retarde le décrochage; et pour enquêter sur les sources de perte de rendement isentropique au débit massique de design associées au contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur. Les résultats indiquent que pour la géométrie à haute vitesse. Le décrochage est initié par un décollement de l'écoulement sur la surface supérieure du diffuseur à tube. Le contrôle de l'écoulement est efficace lorsque qu'il peut injecter du fluide à partir du carter au coude de l'impulseur avec une pénétration radiale profonde et une basse quantité de mouvement relative dans la direction de l'écoulement principal pour réduire la vitesse relative (dans le repère rotatif) dans une région près de l'implanture de l'aube non loin de son extrados à la sortie de l'impulseur. Cette réduction de vitesse dans le repère rotatif donne une vitesse accrue dans le repère stationnaire à la position dans le diffuseur où le décollement de l'écoulement survient pour le supprimer et ainsi retarder le décrochage. Parmi les techniques proposées, c'est la rainure circonférentielle qui implémente ce mécanisme le plus efficacement pour fournir une augmentation de 9.39% à la marge de décrochage. Pour la géométrie à basse vitesse, le décrochage est causé par le décollement de la couche limite sur l'extrados près du bout de l'impulseur au bord de fuite. Un contrôle de l'écoulement efficace pour ce type de décrochage est caractérisé par une injection de fluide à partir du carter au coude de l'impulseur avec une faible pénétration radiale et une haute quantité de mouvement relative dans la direction de l'écoulement principal. Ce fluide va faire augmenter la vitesse de l'écoulement dans la région problématique sur l'extrados de l'impulseur afin de supprimer le décollement de la couche limite et retarder le décrochage. À ce niveau, le tube de recirculation diffuseur-impulseur performe le mieux, donnant une augmentation de la marge de décrochage de 8.16%. La perte de rendement isentropique associée au contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur est le résultat de pertes additionnelles dans l'impulseur et le diffuseur. Dans l'impulseur, le phénomène de jet dans un écoulement transverse engendre des pertes de mélange et de cisaillement. Dans le diffuseur, les pertes de cisaillement peuvent augmenter ou diminuer dépendamment de la variation du gradient de vitesse due à la redistribution de l'écoulement en présence du contrôle de l'écoulement. La présente recherche a fait la première évaluation du contrôle passif de l'écoulement au coude de l'impulseur en terme de l'augmentation de la marge de décrochage et de la perte de rendement isentropique des compresseurs centrifuges. Elle a aussi élucidé la physique de l'écoulement qui peut être utilisée pour raffiner les techniques de contrôle passif de l'écoulement proposées et/ou pour inventer d'autres techniques afin de maximiser la marge de décrochage tout en minimisant la perte du rendement isentropique pour les compresseurs centrifuges, particulièrement ceux avec un diffuseur à tube de type fishtail.

Abstract

Due to their high pressure ratio per stage, centrifugal compressors have the potential to be used in mainline high bypass ratio commercial aero-engines to reduce engine length, weight and mechanical complexity if their isentropic efficiency and stall margin can be improved. This research proposes a new strategy for extending the stall margin through passive flow control placed at the radial bend of the impeller rather than at its leading edge as has been done until now. Relative to the leading edge, the radial bend location presents fewer geometrical constraints and is potentially more effective for flow control devices to affect low-momentum flow structures that can lead to stall both in the impeller and in diffuser. This research aims to provide a first assessment of this strategy, elucidate the flow mechanism by which it can effectively delay stall and to assess its impact on losses and efficiency at the design mass flow. Two centrifugal compressors with fishtail pipe diffusers (the most common type of diffuser used in aero-engines) were chosen for study: a high-speed transonic design for which stall is initiated by the diffuser and a low-speed low-subsonic design, which stalls through the impeller exducer. Four candidate flow control techniques were proposed placed on the impeller shroud at the radial bend, namely circumferential groove, slots, impeller recirculation pipe and diffuser-impeller recirculation pipe. RANS CFD simulations were performed on each compressor withand without each of the four flow control techniques to confirm the stalling component and to assess the stall mechanism, to elucidate the mechanism by which an effective passive flow control technique delays stall, and to investigate the sources of efficiency penalty at design mass flow associated with passive flow control at the radial bend. The results indicate that for the high-speed design, stall is initiated by flow separation on the radially outer wall of the fishtail diffuser pipe. Flow control at the radial bend is most effective if it can inject flow from the shroud at the radial bend with deep radial penetration and low relative streamwise momentum to reduce flow velocity (in the rotating frame) on the lower span region not far from the blade suction side at the impeller trailing edge. This leads to high absolute velocity at the location in the fishtail pipe diffuser where flow separation occurs to suppress this phenomenon and delay stall. Among the proposed stall control techniques, the circumferential groove most effectively implements this stall suppression mechanism, providing a stall margin extension of over 9%. In the low-speed design, stall is caused by suction side blade boundary layer separation in the upper span region of the impeller exit. Effective passive flow control for this type of stall is characterized by shallow spanwise flow injection with high relative streamwise momentum from the flow control device at the radial bend. This results in increased streamwise velocity in the problematic region on the impeller suction side to suppress boundary layer separation and delay stall. In this case, the diffuser-to-impeller recirculation pipe performs best with slightly more than 8% extension in stall margin. The efficiency penalty associated with passive flow control at the radial bend is the result of additional losses incurred in the impeller and the diffuser. The additional losses in the impeller stem from the jet-in-cross-flow phenomenon associated with the flow injection, which produces mixing, and shear losses. In the diffuser, shear losses can increase or decrease depending on whether the flow redistribution due to flow control increase or decrease velocity gradients. This research provided the first assessment of passive flow control at the impeller radial bend in terms of stall margin extension and efficiency penalty of centrifugal compressors. It also elucidated flow physics that can be used to refine the proposed passive flow control techniques and/or devise new flow control techniques to maximize stall margin extension while minimizing efficiency penalty for centrifugal compressors, particularly those with fishtail pipe diffusers.