Aérodynamique des turbomachines Instabilités aérodynamiques
Le fonctionnement des compresseurs est limité vers les forts taux de compression par l’apparition d’écoulements instables, responsable d’une chute des performances et parfois d’une destruction de la machine. La difficulté à estimer la limite de stabilité du système de compression se traduit par un surdimensionnement du compresseur et donc une augmentation du poids du moteur. La réalisation de machines plus légères, accélérant plus vite et polluant moins passe par la compréhension de ces phénomènes instables.
Dans le cadre d’une thèse financée par l’Onera, le LMFA, Snecma, Turbomeca et EDF, l’étude de ces phénomènes instables est réalisée par l’équipe Turbomachine. L’analyse des mécanismes mis en jeu dans un étage de compresseur subsonique lors du passage en régime instable est effectuée à l’aide de la simulation numérique (2,5D et 3D). Le cas d’étude est le compresseur axial mono étage CME2 situé au LEMFI (Orsay, France). Afin de valider les calculs, les résultats numériques sont confrontés aux mesures fournies par le LEMFI.
Le décollement tournant est un phénomène 3D caractérisé par la présence de poches de fluide décollé qui se déplacent à une vitesse inférieure à celle du rotor. Cette instabilité est responsable de vibrations importantes qui peuvent conduire à une rupture par fatigue des aubages de la machine. En outre, les pertes importantes engendrées par la présence des cellules risquent d’entraîner le compresseur vers un régime instable plus violent : le pompage. Le caractère 3D instationnaire de l’instabilité oblige de recourir à des techniques de calculs parallèles sur une configuration de plus de 30 millions de points (fig. 1). La simulation effectuée avec le logiciel elsA permet de prédire l’apparition de ce type de régime et de cerner, au moins en partie, les origines du décollement tournant.
Calcul 2.5D d’un régime de pompage avec décollement tournant
Figure 3 : champ d'entropie instantané
(régime de pompage modifié à 1 cellule)
En fonction de la configuration de la machine, et en particulier de la taille du volume à l’aval du compresseur, le point de fonctionnement peut évoluer vers le décollement tournant, le pompage ou encore vers un régime présentant les deux instabilités : le pompage modifié. Le pompage est une instabilité 1D qui se traduit par l’apparition d’une onde de pression pouvant conduire à une inversion totale du sens de l’écoulement dans la machine. Ce régime très énergétique conduit généralement à une destruction rapide du compresseur. L’utilisation d’un code 2,5D (code Colibri) sur une configuration comportant moins d’un million de points permet de simuler ce type de régime et d’évaluer son impact sur le fonctionnement de la machine (fig. 3).
