Tato diplomová práce otevírá otázku možnosti zlepšení vlastností kompresoru za pomoci numerické simulace proudění. Hlavním cílem je zvýšení operačního rozsahu na jednom stupni axiálního kompresoru s využitím zařízení pro pasivní kontrolu proudu umístěných ve skříni kompresoru. Prvně bylo prověřeno chování víru ve štěrbině mezi lopatkou a skříní následně celkové charakteristiky původního rotoru. Při snižování hmotnostního průtoku simulace odhalila zvýšený vliv koncového výru na hlavní proud. Navíc byl největší koncový vír v režimu blízkém odtrhávání proudění. Z tohoto důvodu byly pro kontrolu koncového víru navrženy čtyři verze drážkování implementováním sinusové úpravy geometrie. Tři ze čtyř testovaných verzí ukázaly možnost výrazného zvýšení rozsahu stabilního proudění. Nicméně prodlužení operačního rozsahu mělo za následek snížení celkové účinnosti. Na konec této práce jsou navrženy doporučení pro další výzkum.

In mehrstufigen Axialverdichtern für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen werden die Statoren entweder mit Deckband ausgeführt oder freistehend mit einem Radialspalt zur Rotornabe. Diese zwei üblichen konstruktiven Varianten zur Trennung von rotierenden und stehenden Bauteilen haben erheblichen Einfluss auf das Strömungsverhalten und die Verluste im nabennahen Bereich der Statorpassage. In den hinteren Stufen von mehrstufigen Axialverdichtern kommt dieser Problematik eine große Bedeutung bei, da mit sinkender Kanalhöhe der Anteil der Randverluste am Gesamtverlust steigt. Weiterhin ist mit relativ großen Spaltweiten im Verhältnis zur Kanalhöhe zu rechnen. Die vorliegende Arbeit vergleicht die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen in einem vierstufigen Niedergeschwindigkeits-Axialverdichter. Für beide Bauarten werden die Auswirkungen einer Variation der Spaltweite auf das Strömungsfeld mit stationären Drucksonden ermittelt und mit stationären CFD-Simulationen verglichen. Für Statoren mit Radialspalt zur Nabe wird eine verbesserte dreidimensionale Gestaltung vorgestellt und experimentell untersucht. Ziel der neuen Auslegung ist die Verringerung der Auswirkung der Spaltweitenvergrößerung auf Verluste, Minderumlenkung und Blockage. Die experimentelle Verifizierung der Neuauslegung wird von numerischen Simulationen zur detaillierten Analyse der Verbesserungen unterstützt.:Symbolverzeichnis Einleitung 1 Grundlagen der Strömung im Seitenwandbereich von Statoren / Stand des Wissens 1.1 Sekundärströmung an Statoren 1.2 Historische Entwicklung der Untersuchung von Statoren mit und ohne Deckband in Axialverdichtern 1.3 Reduzierung von Verlusten durch dreidimensionales Schaufeldesign 1.4 Zielstellung der aktuellen Untersuchung 2 Niedergeschwindigkeitsverdichter und Messtechnik 2.1 Allgemeiner Aufbau des Niedergeschwindigkeitsverdichters 2.2 Messtechnik am Niedergeschwindigkeitsverdichter 2.3 Auswertungsmethoden und Analyse der Messergebnisse 2.3.1 Normierung der Messwerte 2.3.2 Kennfeld 2.3.3 Strömungsfeldmessung an der Stufe 2.3.4 Druckverteilungen 2.3.5 Betrachtung der Messgenauigkeit 2.4 Experimentell untersuchteAufbauten 2.4.1 Referenz-Statoren ohne Deckband - Aufbau 16 2.4.2 Referenz-Statoren mit Deckband - Aufbau 17 2.4.3 Neuauslegung für Statoren mit großen Radialspalten - Aufbau 20 3 Numerische Untersuchungen 3.1 Numerisches Modell 3.2 Simulationsmodell 3.2.1 Vernetzung des Verdichters für den Referenzfall 3.2.2 Modellierung unterschiedlicher Radialspaltweiten 3.2.3 Modellierung der Deckbandkavität 3.2.4 Einfluss der Turbulenzmodellierung auf die Strömung an Statoren mit und ohne Deckband 3.2.5 Simulationen mit Non-Linear-Harmonic-Method 4 Statoren mit und ohne Deckband 4.1 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für Referenzmessungen an Statoren mit und ohne Deckband 4.1.1 Drehzahllinie des Verdichters bei Radialspaltvariation über Stator 3 und 4 4.1.2 Drehzahllinie des Verdichters bei Deckbandspaltvariation im Stator 3 4.1.3 Globale Ergebnisse der CFD-Simulation für Statoren mit und ohne Deckband 4.2 Strömungsfeldmessungen für Statoren mit und ohne Deckband 4.2.1 Zuströmung zum dritten Stator 4.2.2 Vergleich der Strömung am dritten Stator mit und ohne Deckband 4.2.3 Auswirkung des Designs des dritten Stators auf Rotor 4 4.3 Bewertung der Ergebnisse für Statoren mit und ohne Deckband 5 Statoren ohne Deckband mit verringerter Sensitivität gegenüber großen Radialspaltweiten 5.1 Auslegung eines Stators ohne Deckband für große Radialspaltweiten 5.2 Globales Betriebsverhalten des Verdichters für neuausgelegte Statoren ohne Deckband 5.3 Strömungsfeldmessungen am neuausgelegten Stator mit großem Radialspalt 5.3.1 Zuströmung zum dritten Stator 5.3.2 Strömung am dritten Stator bei Radialspaltvariation 5.3.3 Auswirkung der Radialspaltvariation am dritten Stator auf Rotor 4 5.4 Bewertung der neuen Auslegung für Statoren mit großem Radialspalt 6 Zusammenfassung A Anhang A.1 Eigenschaften des CFD-Netzes A.2 CFD-Netze f¨ur Stator 3 mit Deckband A.3 Einfluss des Fillets am dritten Stator mit Deckband Literaturverzeichnis

Ce travail est le produit d’une collaboration entre le LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, École Centrale de Lyon – France), Snecma et le Cerfacs. Il vise à étudier l’écoulement se développant dans le compresseur haute-vitesse axial de 3.5 étages CREATE (Compresseur de Recherche pour l’Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique – vitesse de rotation : 11543 tr/min, vitesse en tête de rotor 1 : 313 m/s), conçu et construit par Snecma et étudié au LMFA sur un banc d’essai de 2 MW. Pour étudier l’écoulement, des mesures stationnaires de pression et température, de la vélocimétrie laser et des mesures rapides de pression statique et totale ont été utilisées. L’analyse se concentre sur deux aspects principaux : l’étude de l’écoulement aux points de fonctionnement stables, avec un intérêt tout particulier pour les interactions rotor-stator, et l’étude des instabilités apparaissant dans la machine à faibles débits.La description de l’écoulement instationnaire aux points stables est faite par le biais de mesures de pression statique en parois, de pression totale et de vitesse, mais également de température totale, entropie et angle d’incidence du fluide. Il est montré que la complexité et l’instationnarité de l’écoulement dans un compresseur multiétagé augmente fortement à l’arrière de la machine à cause des interactions entre les roues fixes et mobiles. Ainsi, une méthode d’analyse modale basée sur la décomposition de Tyler et Sofrin a été développée pour analyser ces interactions. Elle est d’abord appliquée aux mesures de pression afin d’extraire les contributions de chaque roue. Il est ainsi montré que les interactions complexes de pression dans CREATE peuvent être réduites à trois principaux types d’interactions. La méthode de décomposition est enfin appliquée au champ d’entropie dans toute la machine extrait de calculs CFD URANS réalisés par le Cerfacs, afin d’évaluer l’impact des interactions sur les performances de CREATE en terme de génération de pertes.La dernière partie de ce travail est dédié à l’analyse des instabilités apparaissant dans CREATE à faible débit. Il est montré que des ondes de pression tournantes apparaissent aux points stables et augmentent en amplitude à mesure qu’on se rapproche de la ligne de pompage, jusqu’à atteindre une taille critique induisant l’apparition d’une cellule de décollement tournant sur toute la hauteur de veine. Cette cellule entraîne la machine en pompage en seulement quelques tours. L’étude de ces ondes de pression, et la compréhension de leur véritable nature sont réalisées grâce à l’application d’un modèle analytique aux mesures expérimentales. Une description précise du déclenchement et du cycle du pompage est également faite grâce aux mesures de pression statique au dessus des rotors. Un système de contrôle anti-pompage développé au laboratoire et basé sur la détection de l’amplitude des ondes de pression est finalement décrit. / The present work is a result of collaboration between the LMFA (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, Ecole Centrale de Lyon – France), Snecma and the Cerfacs. It aims at studying the flow in the 3.5-stages high-speed axial compressor CREATE (Compresseur de Recherche pour l’Etude des effets Aérodynamique et TEchnologique - rotation speed: 11543 RPM, Rotor 1 tip speed: 313 m/s), designed and built by Snecma and investigated at LMFA on a 2-MW test rig. Steady measurements, as well as laser velocimetry, fast-response wall static and total pressure measurements have been used to experimentally investigate the flow. The analysis focuses on two main aspects: the study of the flow at stable operating points, with a special interest on the rotor-stator interactions, and the study of the instabilities arising in the machine at low mass flow rates.The description of the unsteady flow field at stable operating points is done through measurements of wall-static pressure, total pressure and velocity, but also total temperature, entropy and angle of the fluid. It is shown that the complexity and unsteadiness of the flow in a multistage compressor strongly increases in the rear part of the machine, because of the interactions between steady and rotating rows. Therefore, a modal analysis method developed at LMFA and based on the decomposition of Tyler and Sofrin is presented to analyze these interactions. It is first applied to the pressure measurements, in order to extract the contributions of each row. It shows that all the complex pressure interactions in CREATE can be reduced to three main types of interactions. The decomposition method is then applied to the entropy field extracted from URANS CFD calculations performed by the Cerfacs, in order to evaluate the impact of the interactions on the performance of the machine in term of production of losses.The last part of this work is devoted to the analysis of the instabilities arising in CREATE at low mass flows. It shows that rotating pressure waves appear at stable operating points, and increase in amplitude when going towards the surge line, until reaching a critical size provoking the onset a full span stall cell bringing the machine to surge within a few rotor revolutions. The study of these pressure waves, and the understanding of their true nature is achieved through the experimental results and the use of some analytical models. A precise description of the surge transient through wall-static pressure measurements above the rotors is also provided, as well as a description of a complete surge cycle. An anti-surge control system based on the detection of the amplitude of the pressure waves is finally proposed.

L’écoulement de jeu dans les compresseurs axiaux est étudié à l’aide de la Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). L’objectif consiste à évaluer la capacité de méthodes hybrides URANS/LES à simuler l’écoulement de jeu d’un compresseur axial réaliste afin de mieux comprendre la physique de cet écoulement, notamment son comportement au vannage ainsi que l’effet de sillages venant du stator amont sur le rotor aval. Après avoir choisi la méthode hybride ZDES, un banc d’essai numérique est défini afin de simuler le premier rotor du compresseur de recherche CREATE. Ce banc a la particularité de pouvoir prendre en compte les effets instationnaires venant de la roue directrice d’entrée (RDE), notamment son sillage ainsi que les tourbillons générés en pied et en tête. Basé sur des critères de maillage ZDES, il est utilisé pour évaluer cette méthode comparativement aux méthodes classiques RANS et URANS. La ZDES est validée par étape jusqu’à une analyse spectrale de l’écoulement de jeu se basant sur des données expérimentales. Elle s’est révélée capable de capturer plus précisément l’intensité et la position des phénomènes instationnaires rencontrés en tête du rotor, notamment le tourbillon de jeu. Les densités spectrales de puissance analysées montrent que cela est dû en partie à une meilleure prise en compte du transfert d’énergie des grandes vers les petites structures de l’écoulement avant leur dissipation. De plus, l’écart entre les approches s’accentue lorsque le tourbillon de jeu traverse le choc en tête. Proche pompage, les effets d’interaction entre le choc, le tourbillon de jeu, la couche limite carter et le tourbillon venant de la tête de la RDE sont amplifiés. Le décollement de la couche limite carter s’accentue et une inversion locale de l’écoulement est observée. De plus, le tourbillon de jeu s’élargit et est dévié vers la pale adjacente, ce qui intensifie le phénomène de double écoulement de jeu. L’interaction du tourbillon venant de la tête de la RDE avec le choc et le tourbillon de jeu du rotor est ensuite étudiée au point de dessin. Un battement du tourbillon de jeu est rencontré lors de l’interaction de ce tourbillon avec le tourbillon de tête de la RDE, ce qui diminue le double écoulement de jeu. / The tip-leakage flow in axial compressors is studied with the Zonal Detached Eddy Simulation (ZDES). This study aims at evaluating the capability of hybrid URANS/LES methods to simulate the tip-leakage flow within a realistic axial compressor in order to better understand the involved physics, especially the behaviour of the flow near surge and the effects of stator wakes on the downstream rotor. Once the ZDES method is chosen, a numerical test bench is defined to simulate the first rotor of the research compressor CREATE. This bench takes into account the unsteady effects of the Inlet Guide Vane (IGV), such as its wake as well as vortices generated at the IGV hub and tip. It is based upon ZDES meshing criteria and is used to evaluate this method compared to classic RANS and URANS approaches. A method validation is carried out up to a spectral analysis compared to experimental data. The ZDES is capable to capture more accurately the intensity and position of the unsteady phenomena encountered in the tip region, especially the tip-leakage vortex. The power spectral densities highlight that this partly originates from a better capture of the energy transfer from large to small structures until their dissipation. The discrepancy between the methods is accentuated as the tip-leakage vortex crosses the shock. Near the surge line, the interactions between the shock, the tip-leakage vortex, the boundary layer developing on the shroud and the vortex generated by the IGV tip are amplified. The boundary layer on the shroud separates earlier and a local flow inversion occurs. Besides, the tip-leakage vortex widens and is deflected toward the adjacent blade. This strengthens the double leakage. At the design operating point, the interaction of the IGV tip vortex with the shock and the rotor tip vortex is studied. A vortex flutter is observed as the IGV tip vortex arrives on the rotor blade and stretches the rotor tip vortex. This phenomenon decreases the double leakage.

Automated solid modeling, integrated with computational fluid dynamics (CFD) and optimization of a 3D jet turbine engine has never been accomplished. This is due mainly to the computational power required, and the lack of associative parametric modeling tools and techniques necessary to adjust and optimize the design. As an example, the fluid domain of a simple household fan with three blades may contain 500,000 elements per blade passage. Therefore, a complete turbine engine that includes many stages, with sets of thirty or more blades each, will have hundreds of millions of elements. The fluid domains associated with each blade creates a nearly incomprehensible challenge. One method of organizing and passing geometric and non-geometric data is through the utilization of knowledge based engineering (KBE). The focus of this thesis will be the development of a set of techniques utilizing KBE principles to analyze an assembly which includes multiple fluid domains. This comprehensive system will be referred to as the Parametric Optimization Design System (PODS).