The implementation of a ported shroud casing treatment is often used to extend the operating range of a centrifugal compressor. This work utilizes the STAR-CCM+ CFD package to analyze steady-state, single-passage simulations of a centrifugal compressor with and without a ported shroud to better understand how a ported shroud affects compressor flow physics. Verification and validation of simulations were conducted by comparison of results with a time-accurate full-annulus simulation and experimental data. Four different ported shroud revisions were considered and modeled along the full range of their stable operation, with emphasis placed on the flow limits of choke and stall. A ported shroud is found to improve the choked mass flow limit by increasing the aerodynamic area of the compressor. Near-stall operation is improved through flow recirculation through the ported shroud. This flow, which is induced with a large component of tangential velocity from having passed the impeller blades' leading edge once, reduces the impeller incidence. The influence of a strut is found to restrict both limits of operation by reducing the aerodynamic area and obstruction of tangential velocity. The revisions considered demonstrate that facilitation of flow entering the ported shroud under either near-stall or choked conditions causes a noteworthy improvement in performance. Such alterations, in this application, demonstrate a 3.3% improvement in choked mass flow rate under choked conditions and an 1.3 degree reduction in impeller incidence under near-stall conditions, as compared to the initial ported shroud design. Understanding the effect that a ported shroud casing treatment has on compressor flow physics, especially near its limits of operation, suggests methods for improving centrifugal compressor design to increase its stable operating range.

Ce travail de thèse, mené dans le cadre d’une convention CIFRE entre Snecma, le CERFACS et le LMFA, s’inscrit dans un contexte d’amélioration des performances et d’extension de la plage de fonctionnement des compresseurs de type axial équipant les turboréacteurs. L’une des principales difficultés rencontrée dans cette démarche concerne la maîtrise des écoulements dans la zone de jeu en tête des aubes rotors et qui peuvent entraîner une perte de stabilité du système (pompage et décollement tournant).Une solution technologique prometteuse pour améliorer la stabilité est le traitement de carter qui consiste en un dispositif passif complexe de fentes implantées au carter au droit des rotors. En vue d’en améliorer sa conception, les travaux de thèse visent plus particulièrement à approfondir la compréhension des mécanismes d’action grâce à une approche numérique CFD avec le code elsA développé par l’ONERA et le CERFACS, en modélisation stationnaire et instationnaire. Ces travaux s’articulent autour de trois axes principaux. Le premier a eu pour objectif de développer un outil numérique d’aide à la compréhension des mécanismes d’action des traitements de carter et de diagnostic de leur efficacité. Le principe de l’outil, qui est une extension du modèle initialement proposé par Shabbir et Adamczyk, repose sur une évaluation des contributions des termes des équations de Navier-Stokes stationnaires et instationnaires sur un volume de contrôle pris dans l’écoulement. Dans le cas pratique, cela revient à quantifier les efforts appliqués sur le fluide. Le second axe traite de l’analyse des mécanismes d’action des traitements de carter axisymétriques dans deux compresseurs axiaux : l’un subsonique à carter cylindrique (CREATE) et l’autre transsonique à carter conique (NASA Rotor 37). Les enseignements de cette étude indiquent que ce type de géométrie est marqué par son effet d’aspiration de fluide dans la veine. Ce mécanisme est d’autant plus amplifié par un phénomène d’interaction complexe des fentes avec l’écoulement de jeu et la proximité de l’intrados de l’aube adjacente. Cette partie s’est également attardé à la réponse des rainures à un phénomène instationnaire de type sillage de roue amont. Les résultats ont montré que les fentes amortissent les fluctuations de gradient de pression adverse. Le troisième axe porte sur l’analyse des mécanismes des traitements de carter non-axisymétriques à travers l’étude numérique d’un cas test transsonique à carter cylindrique (CBUUA). Le mécanisme d’action améliorant la stabilité de la machine tient en la capacité des fentes à limiter la migration dans la direction circonférentielle du vortex de jeu. Les résultats montrent que ce type de géométrie est caractérisé par son effet de réinjection d’air qui vient ré-énergétiser l’écoulement proche carter. / This thesis work, conducted as part of a CIFRE agreement between Snecma, CERFACS and LMFA, deals with the context of improving performance and extending the operating range of axial compressors fitted turbojets. One of the main difficulties in this approach is the flow control in the rotor tip region, which can cause the loss of the system stability (surge and rotating stall). A promising technology known to bring substantial stability is the casing treatment. This passive control device consists of slots of complex geometry within the rotor casing. In order to improve its design, the thesis aimed specifically at improving the understanding of their mechanisms through a numerical approach using the CFD code elsA developed by ONERA and CERFACS, with steady and unsteady approaches. This work focused on three main axes. The first concerns the development of a numerical tool to support the understanding of casing treatment mechanisms and the diagnosis of their efficiency. The principle of the tool, which is an extension of the model originally proposed by Shabbir and Adamczyk, is based on an assessment of the contributions of the terms of the steady and unsteady Navier-Stokes equations on a control volume taken in the flow. In practice, this permits to quantify the forces applied to the fluid. The second axis deals with the analysis of the flow mechanisms induced by axisymetric casing treatments in two axial compressors : one subsonic with a cylindrical casing (CREATE) and the other transonic with a conical casing (NASA Rotor 37). The findings of this study indicate that this type of geometry is characterized by its bleeding effect. This mechanism is further amplified by a complex phenomenon of interaction between grooves, tip leakage vortex and the proximity to the pressure side of the adjacent blade. This part has also dwelt on the groove’s response to unsteady upstream stator wakes. The results showed that the slots are able to damp fluctuations of adverse pressure gradient. The third area concerns the analysis of the flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment through the numerical study of a transonic compressor with cylindrical casing (CBUUA). The mechanism leading to an enhancement of the stability results in slots ability to limit the migration in the circumferential direction of the tip leakage vortex. The results show that this type of geometry is characterized by its effect of re-injection of fluid that comes re-energize the near casing flow.

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.