Impact of shrouded stator cavity flow on axial compressor performance and stability

Impact de l’écoulement de cavité sous stator sur la performance et la stabilité des compresseurs axiaux Dans les compresseurs axiaux, des aubes de stator à pied "shrouded" sont utilisées comme solution pour garantir le jeu de fonctionnement axial et radial avec l’assemblage rotor. L’augmentation de pression statique de l’amont vers l’aval du compresseur induit un écoulement de recirculation dans les cavités sous veine ainsi créées. Cet écoulement de fuite est ensuite réinjecté dans la veine principale, au détriment de la performance de l’étage. L’objectif principal de ce travail a été d’évaluer l’impact des écoulements de fuite cavité sur la performance et la stabilité des compresseurs axiaux. Pour ce faire, des activités de recherche expérimentales et numériques ont été conduites sur l’étage de compresseur H25 et sa cavité sous stator (nombre de Reynolds Rer = 2.2*106 et rapport d’aspect G = 0.06, en moyenne) disponibles au von Karman Institute for Fluid Dynamics. La sensibilité de la performance de l’étage H25 et de l’écoulement cavité ont été évalués en fonction des conditions d’injection, du vannage du compresseur, et de sa vitesse de rotation, fournissant une base de données sans précédent. Les résultats obtenus indiquent qu’il existe une dépendance de la performance de l’étage en fonction du débit d’injection dans la cavité. Par exemple, une chute de rendement isentropique de 0,97% pour un débit cavité de 0,56% du débit machine est mesurée au point de dessin du compresseur. Cette chute de la performance est attribuée à une augmentation du blocage de l’écoulement, une augmentation de l’asymétrie de la couche limite, et une augmentation de la température totale en amont de l’aube stator. Il a également été mesuré que les effets des écoulements de fuite cavité sont contenus proche paroi moyeu, et ce, jusqu’à 20% de la hauteur de veine. Par ailleurs, la stabilité de l’étage du compresseur, i.e. marge au pompage, n’est pas affectée par le débit d’injection dans la cavité. Les données obtenues montrent que dans le volume cavité, l’organisation du champ moyen est induite par une interaction réciproque entre la géométrie et l’écoulement. Il est également démontré que l’injection tend à homogénéiser le champ de pression dans la cavité. La comparaison de l’instationnarité de l’écoulement cavité et veine principale indique que la connexion cavité/veine agit comme un filtre pour les instabilités les plus énergétiques issues de la cavité. Parmi ces instabilités, les mesures indiquent une forte présence de l’effet de l’assemblage rotor, qui génère une paroi cavité non lisse. Une analyse de la dynamique de l’écoulement révèle une forte dépendance spatiale des modes cavité, ce qui indique la présence de sources ponctuelles d’instabilité. L’ajout d’injection provoque une augmentation de l’amplitude des modes à basses fréquences, i.e. inférieur à 15% de la fréquence de passage des aubes, pour les points situés dans le passage de l’écoulement d’injection. Pour finir, une évaluation des modes non synchrones de la cavité indique que la fréquence et l’amplitude de ces derniers sont faiblement impactées par le débit de recirculation. Cependant, la fréquence de certaines instabilités varie en fonction des conditions opératives du compresseur. Il est également montré que la vitesse de rotation des modes non synchrones cavité, qui se situe à une vitesse de groupe inférieure à la moitié de la vitesse de rotation du disque, est fortement dépendante de la vitesse de rotation du compresseur. En conclusion, il a été possible de quantifier la chute de performance du compresseur étudié causée par l’écoulement de fuite cavité. En parallèle, la base de données expérimentale collectée a permis de caractériser les instabilités présentes dans la cavité sous stator. A partir de ces résultats, les recherches futures auront pour objectif de prouver l’origine précise des instabilités cavité.[…].