Thèse de doctorat : sciences. Mécanique : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. 194 réf.

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This PhD thesis experimentally studies the volumetric efficiency of gerotor pumps in aero-engine gas turbine oil systems. This efficiency is the ratio of the effective measured flow rate and the theoretical flow rate computed based on pump displacement. In case of low inlet pressure and high rotational speed, which is often the case in aeronautical applications, the pump performance is severely affected by cavitation. This phase change from liquid to vapour causes a large portion of the flow to be occupied by gas, reducing the volume available for the liquid and reducing the overall mass flow rate. Due to its nature, the lubrication oil used in gas turbine engines is subjected to aeration which is the dissolution of air in oil. The air is dissolved in the liquid at high ambient pressure and released at lower pressure causing more air to occupy the cavities inside the pump. The change in liquid aeration is a relatively slower phenomenon causing the variation of aeration to be delayed with respect to the actual pressure and therefore varying also accordingly to the previous oil condition.The essential part of the work presented in this thesis is based on experimental research realised at the ATM department. This was conducted on a dedicated oil system test rig. This rig is build to reproduce the complete set of operating conditions encountered in a flying embedded oil system. This test rig was modified and equipped with several specific measurement systems to acquire data on pump performance and oil aeration. Precisely, a series of single-phase performance characterisations and transients have been recorded. The oil aeration was measured with two density-based instruments. The pump outlet pressure was recorded with a high-frequency pressure transducer. A new set-up of the test rig was also developed to allow the testing of pumps in two-phase flows conditions. Two-phase flows performance characterisations and transients have then also been studied.The data processing provided information necessary to build empirical models and to understand pump and cavitation behaviours. The focus is on pump performance in cavitation. This justify the extensive use of the cavitation number indicating the tendency of a flow to experience cavitation in given conditions. The base models can be used to determine if a given condition leads to cavitation or not, and predict the pump efficiency in both cases. The high-frequency pressure measurements provided an efficient tool to detect cavitation. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La demande pour les ressources énergétiques est en hausse alors que leur disponibilité est en baisse. Dans ce contexte, l’industrie du transport et de l’énergie est à la recherche de petits moteurs efficaces et puissants et le Rim Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) pourrait correspondre à ces critères. Or, en ce moment, le potentiel de ce moteur est limité, car son compresseur supersonique entraîne des pertes d’efficacité lorsque le rotor tourne à son nombre de Mach tangentiel optimal qui est de 2. Le présent mémoire compile toutes les notions requises pour comprendre le fonctionnement d’un compresseur supersonique lors de son démarrage et de concevoir le compresseur le plus approprié pour le R4E, tant en démarrage qu’en régime permanent. Pour se faire, des concepts de cascades inspirés des compresseurs et des méthodes de démarrage des moteurs ramjet actuels ont été générés et validés à l’aide de modèles analytiques. Les concepts sont par la suite essayés expérimentalement sous la forme de cascades à l’aide d’une soufflerie supersonique. Bien que le modèle analytique montre que les cascades munies de canaux de purge soient plus performantes et plus robustes en conditions off-design, ces dernières n’ont jamais démarré lors des expérimentations même si les canaux ont été agrandis et multipliés. Ainsi, parmi tous les concepts essayés, celui qui démarre par survitesse et qui comporte des canaux de succion de couche limite à son col a donné les meilleurs résultats. Il est très stable et permet d’obtenir un ratio de pression statique de 4.25 et un recouvrement de pression totale de 89 %, pour une efficacité isentropique de 92 % à un nombre de Mach tangentiel de 2. Par contre, il est à noter qu’il n’a pas été possible de mesurer la pression totale. Elle a plutôt été estimée à partir des images de strioscopie tirées lors des essais. Comme on ne dispose pas d’une structure permettant d’essayer le compresseur rotatif à Mach 2, il a fallu approximer l’influence de l’accélération centrifuge sur l’écoulement de la cascade et trouver un moyen d’intégrer le nouvel aubage à la roue. Un modèle permettant d’estimer les paramètres d’une couche limite se développant sur une plaque plane en rotation a permis de déduire que l’accélération transverse n’aurait qu’un effet légèrement favorable, puisqu’il permet d’amincir l’épaisseur de déplacement, réduisant ainsi les risques d’interaction en la couche limite et les chocs. Finalement, les canaux de succion de couche limite du compresseur pourraient permettre d’alimenter un système de refroidissement qui limiterait la température à la jante à 820 K. Le R4E pourrait devenir l’avenir des systèmes de régénération électrique pour les véhicules hybrides. Il serait aussi intéressant pour une utilisation dans les petites centrales thermiques des régions éloignées. Ce grand potentiel d’utilisation provient de la grande densité de puissance du moteur, de sa simplicité et de son très faible coût de fabrication et de maintenance.

La performance du système de compression des turbomachines est limitée en grande partie par les décollements tridimensionnels; ils sont plus importants au niveau des parois internes où le fluide a tendance à décélérer dans les zones de faible impulsion. Ce travail de recherche met en œuvre l'aspiration de la couche limite afin de maîtriser les décollements dans les compresseurs. Ceci est obtenu par la mise en place de dispositifs d'aspiration sur le moyeu etle profil de l'aube afin de prélever judicieusement le fluide à faible énergie dans les couches limites et ainsi augmenter le taux de compression par étage. Cette thèse est issue de travaux de recherche réalisés conjointement avec l'Ecole Centrale de Lyon (ECL), l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'ONERA. Ces travaux ont été financés par la Commission Européenne dans le cadre du programme NEWAC et l'entreprise SNECMA.Le cas test est une grille annulaire de redresseur conçu pour fonctionner avec des conditions d'entrée transsoniques. Des calculs stationnaires tridimensionnels RANS sont réalisés afin de définir la plage de fonctionnement de la grille en mettant l'accent sur l'étude des topologies d'écoulement aube-a-aube afin de comprendre la formation et la progression du décollement de coin au moyeu avec des incidences d'entrée croissantes. L'aspiration est réalisée sur le moyeu par une fente afin de mieux maîtriser les décollements tridimensionnels et ainsi accroître le taux de compression et la plage de fonctionnement. L'aspiration est sensible au débit massique aspiré; de faibles débits aspirés conduisent à des topologies d'écoulements complexes avec des performances dégradées, tandis que des débits aspirés plus élevés permettent de supprimer le décollement de coin et d'améliorer la performance à l'exception du point de plus forte incidence. L'analyse des topologies montre une recirculation de l'écoulement entre la cavité d'aspiration et la veine. Ce phénomène d'écoulement tridimensionnel très complexe influe sur la performance des aubages. Ainsi l'étude des topologies permet d'orienter le choix dans l'implémentation de systèmes conduisant à une meilleure maîtrise des écoulements.Cette stratégie d'aspiration est étudiée expérimentalement à l'EPFL où l'aspiration a été mise en œuvre au moyeu. Une nouvelle série d'études numériques réalisées avec les conditions d'entrée mesurées sur le banc d'essais associées à des hypothèses de calcul conduisent à une assez bonne concordance entre les mesures d'essais et la simulation numérique. En particulier, le décollement de coin est bien prédit par les calculs numériques.Des études théoriques ont été menées afin d'appliquer l'aspiration sur le profil de la pale et ainsi améliorer la capacité de diffusion des pales. Des études de sensibilité ont été réalisées sur divers paramètres tels que le positionnement des fentes d'aspiration et le débit aspiré qui ont conduit au choix d'une configuration finale retenue pour les essais. Des études réalisées avec de multiples et plus petites fentes d'aspiration sur le profil de la pale montrent le bien fondé de l'application d'un contrôle d'écoulement localisé sur les points critiques associés à des décollements. Ceci montre l'enjeu d'atteindre des niveaux de performance supérieurs avec des débits aspirés plus faibles.

La performance du système de compression des turbomachines est limitée en grande partie par les décollements tridimensionnels; ils sont plus importants au niveau des parois internes où le fluide a tendance à décélérer dans les zones de faible impulsion. Ce travail de recherche met en œuvre l'aspiration de la couche limite afin de maîtriser les décollements dans les compresseurs. Ceci est obtenu par la mise en place de dispositifs d'aspiration sur le moyeu etle profil de l’aube afin de prélever judicieusement le fluide à faible énergie dans les couches limites et ainsi augmenter le taux de compression par étage. Cette thèse est issue de travaux de recherche réalisés conjointement avec l'Ecole Centrale de Lyon (ECL), l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'ONERA. Ces travaux ont été financés par la Commission Européenne dans le cadre du programme NEWAC et l’entreprise SNECMA.Le cas test est une grille annulaire de redresseur conçu pour fonctionner avec des conditions d'entrée transsoniques. Des calculs stationnaires tridimensionnels RANS sont réalisés afin de définir la plage de fonctionnement de la grille en mettant l'accent sur l'étude des topologies d’écoulement aube-a-aube afin de comprendre la formation et la progression du décollement de coin au moyeu avec des incidences d'entrée croissantes. L’aspiration est réalisée sur le moyeu par une fente afin de mieux maîtriser les décollements tridimensionnels et ainsi accroître le taux de compression et la plage de fonctionnement. L'aspiration est sensible au débit massique aspiré; de faibles débits aspirés conduisent à des topologies d’écoulements complexes avec des performances dégradées, tandis que des débits aspirés plus élevés permettent de supprimer le décollement de coin et d'améliorer la performance à l’exception du point de plus forte incidence. L'analyse des topologies montre une recirculation de l'écoulement entre la cavité d'aspiration et la veine. Ce phénomène d’écoulement tridimensionnel très complexe influe sur la performance des aubages. Ainsi l'étude des topologies permet d’orienter le choix dans l’implémentation de systèmes conduisant à une meilleure maîtrise des écoulements.Cette stratégie d’aspiration est étudiée expérimentalement à l'EPFL où l'aspiration a été mise en œuvre au moyeu. Une nouvelle série d'études numériques réalisées avec les conditions d'entrée mesurées sur le banc d’essais associées à des hypothèses de calcul conduisent à une assez bonne concordance entre les mesures d’essais et la simulation numérique. En particulier, le décollement de coin est bien prédit par les calculs numériques.Des études théoriques ont été menées afin d’appliquer l'aspiration sur le profil de la pale et ainsi améliorer la capacité de diffusion des pales. Des études de sensibilité ont été réalisées sur divers paramètres tels que le positionnement des fentes d’aspiration et le débit aspiré qui ont conduit au choix d’une configuration finale retenue pour les essais. Des études réalisées avec de multiples et plus petites fentes d’aspiration sur le profil de la pale montrent le bien fondé de l'application d’un contrôle d’écoulement localisé sur les points critiques associés à des décollements. Ceci montre l’enjeu d'atteindre des niveaux de performance supérieurs avec des débits aspirés plus faibles. / The performance of the compression system of a gas turbine engine is limited for a large part by the three-dimensional separations occurring in the high pressure compressors. The effects of flow separation are more important in the endwall regions where the fluid tends to decelerate and accumulate in regions of low momentum. The theme of this research work is to implement boundary layer aspiration to control flow separations in high pressure compressors. This is achieved by implementing aspiration devices on the endwall and blade profile to judiciously remove low energy fluid in the boundary layers that enables higher pressure rise per stage. This thesis is a joint scientific work associating Ecole Centrale de Lyon (ECL), Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) and ONERA. The European Commission under the frame of the programme NEWAC and the enterprise SNECMA has financed this research work. The test case is a stator blade row designed to operate with transonic inlet conditions. Three-dimensionalsteady state RANS computational studies are done to define the operating range of the cascade with emphasis on the study of blade-to-blade flow topologies to understand the formation and progression of the corner separation on the hub wall with increasing inlet incidences. Boundary layer aspiration is implemented on the hub wall to control the threedimensional flow separations to improve the pressure rise and the operating range. The aspiration strategy is sensitive to the aspirated massflow; lower aspirated flow rate results incomplex flow separation topologies with deteriorated performance, while higher aspirated flow rate is found to suppress the corner separation and improve the diffusion capability except at the highest incidence point. The analysis of flow topologies shows the recirculation of flow between the aspiration cavity and the blade passage; a highly complex three-dimensionalflow phenomena that influences the blade performance. The study of flow topologies is instrumental in developing rationales for the implementation of flow control.This aspiration strategy is studied experimentally at EPFL where aspiration has been implemented on the hub wall. A new set of numerical studies done with inlet conditions measured from the test bench associated with rational hypothesis concludes this task with reasonable agreement between the experiments and numerical simulation. In particular, the hub corner separation is predicted well by CFD.Computational studies are done to implement aspiration on the blade profile to improve the diffusion capability of the blades; various sensitivity parameters such as aspiration slot locations, aspirated flow rate are studied and a configuration is finalised for the experiments to be followed. Some studies are performed with smaller and multiple slots on the blade profile. The results show the merit of applying localised flow control on the critical points associated with flow separation demonstrating the scope to achieve higher levels of performance with lower aspirated flow rates.

Critical equipment plays an essential role in industry because of its lack of redundancy. Failure of critical equipment results in a major economic burden that will affect the profit of the enterprise. Lack of redundancy for critical equipment occurs because of the high cost of the equipment usually combined with its high reliability. <p><p>When we are analyzing the reliability of such equipment, as a result, there are few opportunities to crash a few pieces of equipment to actually verify component life. <p><p>Reliability is the probability that an item can perform its intended function for a specified interval of time under stated conditions and achieve low long-term cost of ownership for the system considering cost alternatives. From the economical standpoint, the overriding reliability issue is cost, particularly the cost of unreliability of existing equipment caused by failures. <p><p>Classical questions about reliability are:<p><p>·\ / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les turbocompresseurs sont utilisés pour améliorer les performances du moteur thermique par suralimentation. Cette méthode efficace présente cependant des inconvénients majeurs pour des points de fonctionnement à faible débit. En effet, lorsque le débit en entrée du turbocompresseur devient trop faible, un phénomène de pompage apparaît, réduisant la plage d'utilisation du moteur, pouvant endommager le turbocompresseur et le moteur par un fonctionnement instable.Dans cette thèse une configuration expérimentale avec un dispositif à géométrie variable placé en amont du compresseur a été étudiée. Ce système, appelé « dispositif de prérotation » permet de modifier les conditions aérodynamiques en amont du compresseur et en particulier dans les zones de fonctionnement proches du pompage.Cette étude comporte deux grands volets : une partie expérimentale réalisée sur un banc d’essais typique de turbocompresseurs d’automobile équipé d'une vanne de prérotation et une étude numérique permettant d’évaluer les capacités de l’utilisation d’un code du commerce à restituer les modifications des performances expérimentales observées sur l’ensemble. / Automotive turbochargers are used to increase engine performances. This efficient method, however, has major disadvantages for low flow operating points. Indeed, when the input flow of the turbocharger becomes too low, a surge phenomenon appears, reducing the range of use of the engine, which can damage the turbocharger and the engine by unstable operation.In this thesis an experimental configuration with a variable geometry device placed upstream of the compressor has been studied. This system, called "pre-whirl device" makes it possible to modify the aerodynamic conditions upstream of the compressor and in particular in the operating zones close to surge.This study has two main components: an experimental part carried out on a typical test bench of automobile turbochargers equipped with a pre-whirl valve and a numerical study making it possible to evaluate the capacities of the use of a code of the trade to render the modifications of the experimental performances observed on the whole. / Os turbocompressores são utilizados para melhorar o desempenho dos motores térmicos por sobrealimentação. Este método é eficiente, no entanto, tem grandes desvantagens quando o turbocompressor opera em baixa vazão mássica. Quando a vazão de massa na entrada do turbocompressor fica muito baixa, um fenômeno de sobrecarga (surge) aparece, reduzindo a faixa de uso do motor, o que pode danificar o turbocompressor e o motor por meio de operação instável.Nesta tese, uma configuração experimental com um dispositivo de geometria variável colocado na entrada do compressor foi estudada. Este sistema, chamado “dispositivo de pré-rotação” permite modificar as condições aerodinâmicas a montante do compressor e em particular nas zonas de funcionamento próximas da sobrecarga.Este estudo tem dois componentes principais: uma parte experimental realizada em uma bancada de testes típica de turbocompressores automotivos equipada com uma válvula de pré-rotação e um estudo numérico que permite avaliar as capacidades do uso de um código de comércio para realizar as modificações dos desempenhos experimentais observados no todo.

La pile à combustible se présente comme l'une des sources sûres du temps post pétrole ; cependant elle a du mal à s'imposer du fait de la non-maîtrise de nombreux aspects, notamment du système auxiliaire tel que le groupe moto-compresseur assurant l'alimentation en air de la pile, et qui consomme près de 20% de son énergie. Une meilleure maîtrise du système groupe moto-compresseur permettra d'accroître le rendement énergétique. La thèse présentée a été mené dans la continuité du projet du laboratoire SET de l'UTBM de mise en place d'une plate-forme Hardware-in-The-Loop (HIL) de conception de moto-compresseurs pour l'alimentation en air de pile à combustible PEMFC dédiée aux véhicules. La thèse a donc porté sur la modélisation d'un compresseur volumétrique de type Roots tri-lobes et du développement d'un modèle et du contrôle d'un système assurant l'alimentation en air d'une pile à combustible. Dans la première phase du travail, des études sont menées sur les différentes technologies de compresseurs (turbocompresseurs, compresseurs volumétriques) afin de voir leurs possibles intégrations dans un système d'alimentation en air d'une pile à combustible. Ces études montrent que même si le compresseur centrifuge et le compresseur scroll semblent être plus adaptés, le compresseur Roots-tri-lobes reste un candidat potentiel du fait de ces nombreux avantages : efficacité volumétrique, rendement, compacité, peu d'émission sonore, etc. La seconde phase porte sur le développement d'un modèle du compresseur Roots tri-lobes basé sur la détermination analytique des volumes de contrôle et de toutes les sections de fuite en fonction de l'angle de rotation avec un minimum d'hypothèses simplificatrices. Un modèle thermodynamique est associé au modèle géométrique afin de déterminer les autres grandeurs tels que la pression (P), la température (T) et les débits massiques (q). Le modèle est implémenté en VHDL-AMS pour la simulation. La troisième phase permet de valider le modèle, en mettant en place un banc d'essais dimensionné, automatisé, équipé de capteurs et un système d'acquisition et de commande dSPACE. Les résultats simulés comparés à l'expérimentation montrent des résultats très satisfaisant. La dernière phase de ces travaux consiste à la modélisation d'un système d'alimentation en air à partir d'éléments constitutifs de base c'est-à-dire : le compresseur Roots tri-lobes, le collecteur, et une vanne. Le modèle ainsi conçu est validé à partir du même banc d'essais, mais cette fois avec l'ajout d'une vanne papillon pour le contrôle de la pression. Deux dispositifs de contrôle à savoir : proportionnel intégral et la logique floue sont proposés pour le contrôle du système. L'implémentation des contrôleurs sur le banc d'essais permet de valider les travaux de modélisation et de simulation.

Le présent travail concerne l'étude du décollement de coin de compresseurs par des investigations expérimentaux sur le banc d'essai subsonique grille d'aubes situé au LMFA (Re = 3.8 x 105, M = 0,12, profil NACA 65-009). Habituellement, cette particulière séparation tridimensionnelle a lieu dans le coin entre l'aubage et la paroi du moyeu des rangées d'aubes, également dans les stators et les rotors.Les performances de l’étage sont ainsi dégradées à cause des pertes de charge et du blocage conséquent à la séparation de l’écoulement. Bien que les caractéristiques stationnaires sont bien connues par la littérature, uniquement des récentes études expérimentales avancées combinées aux améliorations de simulations numériques, telles que URANS et LES, ont permis de découvrir le comportement très instable du décollement de coin. Des études préalables sur le même banc d'essai ont rapporté un comportement intermittent du décollement, appelé comportement bimodal. Dans la présente thèse de doctorat, il est montré que le comportement bimodal correspond à deux états spécifiques du champ fluide: une séparation fermée, presque supprimée, et une séparation ouverte caractérisée par un blocage massif. Il est clair que cette commutation bimodale du décollement de coin apparaissant dans une machine réelle pourrait avoir un impact fortement déstabilisant. En utilisant la méthode de mesure PIV haute vitesse couplée à des mesures de pression résolues en temps sur la surface de l'aubage, l'écoulement d'un canal inter-aube a été étudié pour deux différentes incidences. Les mesures PIV fournissent pour la première fois des visualisations résolues en temps et étendues à toute la section de l'aubage de la variation bimodale du décollement. L'interaction des grandes structures aléatoires de la couche limite à l'amont avec le bord d'attaque de l'aubage déstabilise le front du décollement et agrandit la région de recirculation. Une séparation ainsi massive persiste jusqu'à ce que le blocage dans le canal inter-aube provoque la rupture des plus grandes structures constituant la zone de recirculation. Successivement le débit recommence à accélérer et la séparation est presque supprimée. Cette dynamique coïncide avec le régime d'écoulement hautement instationnaire et apériodique des diffuseurs, appelé large transitory stall, caractérisé par des grandes amplitudes d'énergie dans la gamme des basses fréquences du spectre. Des moyennes conditionnelles de pression et la décomposition orthogonale modale (POD) des champs de vitesse ont été appliquées pour montrer l'effet rétroactif du blocage induit par la séparation ouverte sur l'angle local au bord d'attaque. Ces résultats supportent l’hypothèse d'une instabilité auto-entretenue causée par la diffusion imposée dans le stator. En fin, des mesures de pression totale résolues en temps ont été effectuées en utilisant des capteurs à haute réponse en fréquence, situés à la même position dans les différents canaux adjacents. La cohérence et la linéarité de l'angle de phase trouvée entre les capteurs confirment que l'instabilité du décollement peut se propager d'un canal a l'autre, en analogie avec les perturbations tournantes (rotating instabilities) apparaissant dans les bancs d'essai annulaires. Ceci montre pour la première fois que, même dans une grille d'aubes linéaire de compresseur, l'instabilité intrinsèque du décollement de coin peut déclencher la propagation d'instabilités. / The present work focuses on the study of the corner separation phenomenon in compressors carried out by experimental investigations on a subsonic linear cascade test rig (Re=3.8x105, M=0.12, blade profile NACA 65-009). Usually, this particular three-dimensional separation takes place in the corner between the blade and the endwall of compressor rows, mostly at hub, both in stators and rotors.Its main features are high total pressure losses and blockage of the flow, with consequent impacts on the efficiency. Whereas time averaged characteristics are well known from the past, only recent advanced experimental studies and improvements of numerical simulations, such as URANS and LES, have permitted to uncover the highly unsteady behavior of corner separation in compressors. Precedent studies on the same test rig have reported an intermittent unsteady behavior of corner separation, called bimodal behavior. In the present thesis it is shown that the bimodal behavior corresponds to two specific states of the flow: a closed separation, almost suppressed, and an open separation characterized by massive blockage and losses. Clearly hub-separation bimodal switches appearing in a real machine could have a first order detrimental effect on the stability of the flow in the compressor. By using high speed PIV coupled with unsteady pressure measurements on the surface of the blade the flow in a single blade passage has been investigated for different incidences. The PIV measurements provide, for the first time, time-resolved flow visualizations of the size switch of the separation with an extended field of view covering the entire blade section. The interaction of random large structures of the incoming boundary layer with the blade is found to be a predominant element that destabilizes the separation boundary and enlarges the recirculation region. Such a massive separation persists until the blockage in the passage causes the breakdown of the largest structures in the aft part of the blade, reestablishing the closed separation state. Such dynamics coincide with the aperiodic intermittent flow regime of diffusers, called transitory stall regime, and the associated Fourier spectra show the largest energy amplitudes in the low frequency range. Conditional ensemble averages of pressure and proper orthogonal decomposition (POD) of velocity fields have been applied to show the feedback effect of the blockage of the separation on the flow angle around the blade leading edge. These results draw the picture of a self-sustained instability caused by the diffusion imposed by the inter-blade passage. To answer the question about the interaction between adjacent corner separations, time-resolved total pressure measurements have been carried out by using high frequency response sensors positioned in bimodal points of multiple passages. The coherent propagation velocity and the linearity of the phase angle found between the signals confirm that the unsteadiness of the separation can propagate in pitch-wise direction. It is interesting to underline that equivalent elements characterize rotating disturbances appearing in annular test rigs. This finally shows that, even in an isolated stator blade row, the intrinsic unsteadiness of corner separation can start the propagation of instabilities. It is the first time that such a propagation effect is observed in a linear compressor cascade.