Modeling, analysis and control of contra-rotating centrifugal compressors : Numerical and Experimental Aerodynamics

De nos jours, les Compresseurs Centrifuges (CCs) sont largement employés dans l'industrie automobile, navale, spatiale et autres et dont la conception et les limites de performances sont assez connues et bien documentées bien que les codes de conception de ces derniers sont gardés généralement en secret vis-à-vis de la littérature et ne sont pas facilement accessibles. C'est dans une perspective d'amélioration les performances des CCs non seulement leurs limites standards à savoir le pompage et le blocage, mais également leur optimisation, que s'inscrit la présente thèse. En effet, la première partie de cette thèse consiste à développer plusieurs outils ultra-rapides (par rapport à la CFD), de la conception direct ou inverse, de l'analyse des performances et de l'optimisation des CCs employants des approches de type 0D/1D par ligne-moyenne ainsi que celles de type Quasi-3D. Ces outils sont validés par plusieurs géométries de CCs disponibles dans la littérature. Ainsi, ils sont regroupés dans un code nommé C3Design.Dans la deuxième partie de la thèse, une première étude de conception et d'analyse des performances aussi bien numérique qu'expérimentale des Compresseurs Centrifuges Contrarotatifs (CCCRs) est proposée à la communauté scientifique. En effet, il est connu que les turbomachines contrarotatives possèdent des avantages certains par rapport à celles conventionnelles de type mono-roue. Cependant, aucune étude ni sur la conception ni sur l'analyse des performances des CCCRs n'existe dans la littérature. Ainsi, quatre configurations de CCCRs sont conçues par une adaptation de C3Design aux CCCRs et analysées dans un premier temps par la CFD afin de mettre en évidence non seulement leurs avantages par rapport aux CCs, mais également leurs limites à faible et à grand débit (limite stable et celle du blocage). Les résultats numériques ont montré que les CCCRs peuvent obtenir de meilleures performances en terme de rendement et d’élévation de pression par rapport à leurs équivalents CCs ayant des tailles similaires. Cependant et à cause de la forte contre-rotation de l'écoulement présente à l'entrée de la roue en aval, les CCCRs tendent à avoir une plus faible marge au blocage que les CCs et une marge au pompage sensiblement égale ou inférieure.En plus, en jouant sur le degré de liberté additionnel des CCCRs (rapport de vitesse entre la roue en amont et celle en aval), les limites peuvent être repoussées de façon significative : augmenter le rapport de vitesse permet d'élargir la marge au blocage et par la même occasion diminuer la marge au pompage (augmenter l'effet de l'incidence) et inversement. Aussi, deux critères pour les limites au pompage et au blocage par une approche 0D ont été identifiés et validé numériquement et expérimentalement.Afin de consolider et valider les résultats numériques concernant les trois premiers CCCRs conçus et simulés, le quatrième CCCR est réalisé et testé au sein du LIFSE. Ainsi, un dispositif expérimental est fabriqué pour cette quatrième configuration. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de valider non seulement l'outil de conception C3Design et la CFD, mais également les conclusions déjà dégagées numériquement pour les CCCRs ainsi que les critères sur la stabilité à faible débit et le blocage à grand débit. De plus, le contrôle par modulation de vitesse effectué expérimentalement a permis de faire travailler cette machine jusqu'à des débits négligeables par rapport au débit nominal en employant les deux modes "Contrarotatif" et "Corotatif" où dans ce dernier, les deux-roues en amont et en aval tournent dans le même sens de rotation. Ceci a permis d'élargir la plage de débit jusqu’à environ 58% (dans le sens des faibles débits). En raison de ce degré de liberté supplémentaire, il est possible également de contrôler la zone locale des rendements maximaux vers des débits massiques faibles ou élevés selon le souhait de l'utilisateur.Nowadays, Centrifugal Compressors (CCs) are widely used in the automotive, naval, space and other industries and whose design and performance limits are quite known and well documented although the design codes of the latter are kept usually in secret from the literature and not easily accessible. It is with a view to improving CCs not only their standard limits, namely choke and stall, but also their optimization, that this thesis is introduced. Indeed, the first part of this thesis consists in developing several ultra-fast tools (compared to CFD) of direct or inverse design, performance analysis and optimization of CCs using a 0D/1D method (Meanline-approach) as well as those of the Quasi-3D type. These tools are validated on several CCs geometries available in the literature. TThus, they are grouped together in a code named C3Design.In the second part of the thesis, a first study of design, realization and analysis of the numerically and experimentally of the performances of a Contrarotating Centrifugal Compressor (CCCR) is proposed to the scientific community. Indeed, it is known that counter-rotating turbomachines have certain advantages over conventional machines with single rotor. However, no studies on either the design or the performance analysis of CCCR exist in the literature. Thus, four CCCRs are designed by an adaptation of C3Design to CCCRs and analyzed initially by the CFD in order to highlight not only their advantages over CCs, but also their limits at low and high mass flow rate (stable limit and that of blocking). Numerical results showed that CCCRs can achieve better performance in terms of efficiency and pressure rise compared to their CCs counterparts maintaining similar sizes. However, due to the strong counter-rotation of the flow present at the inlet of the downstream impeller (RR), CCCRs tend to have a lower choke margin than CCs and a roughly smaller or equal stall margin.In addition, by adjusting the additional degree of freedom of the CCCRs (speed ratio between the upstream rotor (FR) and the downstream one (RR)), the limits can be pushed back significantly: increasing the speed ratio makes it possible to widen the blocage margin and at the same time reduce the stall margin (increase the effect of the incidence at RR leading edge) and vice versa.Furthermore, two criteria for the limits on the stall and choke by a 0D approach were identified and validated numerically and experimentally.In order to consolidate and validate the numerical results concerning the first three CCCRs designed and simulated, the fourth CCCR is manufactured and tested in the LIFSE (Laboratory of Engineering of Fluids and Energy Systems), thus an experimental bench is realized for this fourth configuration. The experimental results obtained made it possible to validate not only C3Design code and the CFD but also the conclusions already drawn numerically for the CCCRs as well as the 0D criteria on stability at low mass flow rate and chocking at high mass flow rate. In addition, the speed modulation control is carried out experimentally at very low mass flow rate negligible compared to the nominal one to avoid stall instabilities by employing the counter-rotating and co-rotating mode where in the latter, the two upstream and downstream rotors rotate in the same direction which made it possible to enlarge the mass flow range of 58% toward low mass flow rate regions. Because of this additional degree of freedom, it is possible to control the local area of maximum efficiency toward high or low mass flow rate depending on the user wish