Caracterització del flux a causa de la interacció rotor-estator en turbomàquines mitjançant CFD

Abstract

A les turbomàquines pot haver una forta interacció entre els àleps del rodet i les directrius del difusor que afecten la dinàmica del flux i el rendiment estructural de les màquines. Aquest fenomen s’anomena interacció rotor-estator (RSI), i te una gran influencia en el comportament de la màquina. Aquestes interaccions tenen impacte significant en les característiques de les vibracions i de l’acústica de la màquina i en algunes ocasions aquestes interaccions han portat a la fallada de l’àlep o la directriu. Les inestabilitats i la turbulència juguen un paper fonamental en el RSI i l’ús de la dinàmica de fluids computacional (CFD) s’ha convertit en un requeriment habitual en el disseny de turbomàquines degut a la dificultat i elevat cost de l’experimentació necessària per identificar el fenomen RSI. Actualment els anàlisis de CFD basats en les equacions de Navier-Stokes amb mitjanes de Reynolds (RANS) i un model acoblat de viscositat de turbulència de remolí (EVM), es utilitzat habitualment en el disseny de turbomàquines. Per tant l’elecció de un model de turbulència i del tractament de capa límit apropiat es lluny de ser trivial, donat que un modelat adequat de la turbulència te un paper important per la obtenció de bons resultats en CFD. Per un millor coneixement del fenomen RSI, en la primera part d’aquest treball es realitza amb CFD un estudi no estacionari del flux sobre perfils aïllats, amb l’objectiu de determinar les habilitats dels models RANS en determinar les característiques del flux a la capa límit i el deixant. Es determinen numèricament les velocitats, les fluctuacions de velocitat i les freqüències del despreniment de vòrtex en el deixant en quatre perfils, comparant els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Amb l’objectiu de poder conèixer millor la interacció RSI produïda per el moviment dels deixants del rotor sobre la capa límit de l’estator, en una segona part d’aquest treball, s’estudia amb CFD una cascada lineal d’àleps desplaçant-se davant una placa plana. Es determinen les velocitats i les fluctuacions de velocitat a la capa límit, així com les freqüències representatives de la interacció RSI sobre la placa, quan el sistema treballa a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, i es comparen els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Com a objectiu final es modela amb CFD una bomba centrífuga amb difusor, amb un rodet amb alta càrrega d’àleps. Aquesta màquina s’estudia treballant a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, amb l’objectiu de conèixer el complicat patró del flux que es produeix en aquest tipus de bomba. S’han determinat les fluctuacions de pressió degudes a la interacció entre el rodet i el difusor de la bomba, així com les seves freqüències característiques. Els resultats numèrics de CFD son comparats amb resultats experimentals.

In turbomachinery, a strong interaction between the impeller blades and the diffuser vanes may occur. This interaction affects the flow dynamics and the structural performance of the machine. This phenomenon is called rotor–stator interaction (RSI), and it has a significant impact on the characteristics of the vibrations and noise of the machine, and in some cases these interactions have led to the failure of the blades or vanes. Instabilities and turbulence play a fundamental role in the RSI and the use of computational fluid dynamics (CFD) has become a standard in the design of turbomachinery due to the difficulty and high cost of experimentation necessary to identify the RSI phenomenon. Currently CFD analysis based on the Navier-Stokes Reynolds Averaging (RANS) and a coupled model of turbulent eddy viscosity (EVM) is commonly used in the design of turbomachinery. Therefore the choice of a turbulence model and the appropriate treatment of the boundary layer is far from trivial, because a suitable turbulence model is primordial for obtaining accurate numerical results using CFD. For a better understanding of the RSI phenomenon, a CFD study on unsteady flow around isolated foils is presented, aiming to benchmark the capabilities of several turbulence models predicting the boundary layer and wake flow characteristics. Flow velocities, velocity fluctuations and vortex shedding frequency in the wake are numerically estimated for four different profiles, and these results are validated against experimental results. In order to gain insight on how the RSI generated by the wakes of moving rotor blades affect the stator vanes boundary layer flow, a numerical study of a linear cascade of blades moving in front of a flat plate is presented. Flow velocity and velocity fluctuations in the plate’s boundary layer and the RSI characteristic frequencies are studied for design and off-design operating conditions. The final chapters of the thesis deal with the modeling of a high blade load centrifugal pump with diffuser. Complex flow patterns within the machine are analyzed by means of CFD in design and offdesign conditions. Pressure fluctuations generated as a result of RSI between the impeller and the diffuser are obtained, as well as the characteristic RSI frequencies. An experimental data set is used to validate the numerical results.