Contribution à l étude des performances globales d un étage de pompe centrifuge roue pour plusieurs débits autour du point nominal.

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1 Contribution à l étude des performances globales d un étage de pompe centrifuge roue pour plusieurs débits autour du point nominal. T.E.A. TERKI HASSAINE a, P. CHERDIEU b, A. SEDDINI a, P. DUPONT c, A.C. BAYEUL LAINE b a. Université Aboubekr Belkaid (UABT), BP 230, TLEMCEN (ALGERIE b. Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers-ParistTech (ENSAM),18 Boulvard Louix XIV, LILLE (FRANCE) c. Ecole Centrale de Lille, Cité Scientifique, Villeneuve-d'Ascq LILLE (FRANCE) Résumé L'article fait référence à l'analyse des caractéristiques d un écoulement à l'intérieur d'un diffuseur à aubes d une pompe centrifuge. La pompe qui fait l objet de ces études est la pompe SHF fonctionnant à l air. Une roue et un diffuseur ont été définis et réalisée en vue d'essais en air. Ces essais réalisaient à l'ensam Lille, sur les différents débits, avaient comme principal objectif la détermination et l analyse de l'influence de divers paramètres qui interviennent dans l écoulement (vitesses, pressions, etc.). Plusieurs positions de capteurs de sondes ont été traitées dans divers plans de mesure entre le plafond et la ceinture, de l inter-aube du diffuseur. Une technique de posttraitement des résultats, fondée sur divers outils statistiques, a été appliquée à ces données expérimentales en vue d accéder à une meilleure compréhension des phénomènes. Dans une autre démarche, une simulation numérique de l écoulement à l'intérieur la pompe a été réalisée par le Logiciel STAR-CCM+. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats obtenus par simulation numérique. Mots clefs: pompe centrifuge, star-ccm+, frozen rotor, roue shf 1. Introduction Un modèle de pompe dénommé «pompe SHF», fonctionnant à l air a fait l objet de mesures globales et locales visant à caractériser les performances de la roue et du diffuseur afin de permettre une comparaison avec les résultats de calculs 3D stationnaires de type «frozen rotor» et des calculs 3D instationnaires. Les détails de l équipement et de l instrumentation ont déjà fait l objet de différentes publications, références [1], [2] et [3]. Ces essais ont été réalisés pour cinq débits différents. Plusieurs positions de prises de pressions statiques pariétales, réparties dans l ensemble de la machine et plus particulièrement entre l entrée de la roue et l entrée du diffuseur, puis entre l entrée et la sortie du diffuseur, mais aussi à l intérieur de ce dernier, permettent d évaluer les performances et leurs évolutions. Des simulations numériques ont été réalisées à l'intérieur la pompe, pour huit différentes positions angulaires relatives du diffuseur par rapport à la roue, en utilisant le logiciel STAR-CCM+. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats obtenus par simulations numériques. Les résultats présentés ici s attachent plus particulièrement à la performance de la roue jusqu en entrée de diffuseur. Ces comparaisons permettent de déceler les zones de fonctionnement ou la modélisation des performances globales de la roue doivent être critiquée voire améliorées.

2 2. Résultats expérimentaux en sortie de roue, entrée de diffuseur. Parce qu il est difficile d obtenir des mesures de pression d arrêt fiables en sortie de roue d une pompe centrifuge en présence d un diffuseur proche de la roue, en particulier à cause des phénomènes d interaction, il a été décidé d utiliser les résultats de sondages de pression statiques en entrée de diffuseur, complétées par des mesures directes de pression statiques pariétales, et ce pour plusieurs valeurs de débit. Les résultats de ces mesures ont été obtenus pour plusieurs positions tangentielles entre les faces de pression et de dépression des aubages du diffuseur; ces positions tangentielles sont montrées en figure 1 et sont notées de 1 à 9. La position 1 correspond à une mesure coté pression des aubages du diffuseur, la position 9 est située coté dépression de ces aubages. La figure 2, rassemble les résultats de l augmentation de pression statique ΔPs entre l entrée de la roue (section 1) et l entrée du diffuseur (section 3), issus des sondages dont les valeurs ont été extrapolées coté carter, et ce pour quatre valeurs adimensionnelles de débit. FIG. 1 -Position des prises de pression statiques pariétales et des sondages en entrée de diffuseur Résultats expérimentaux FIG. 2 Distribution tangentielle des pressions statiques pariétales.

3 Il est ainsi possible de constater que les gradients tangentiels de pression statique pariétale issus de l extrapolation des sondages, s inversent selon les valeurs de débits d une part et que les différences de pression statique entre les deux faces des aubages du diffuseur, qui correspondent aux positions 1 et 9, sont les plus faibles pour une valeur de débit adimensionnel Q*= 0,762. Cette valeur est proche du débit de dessin du diffuseur et cela confirme l existence d un gradient faible de pression statique correspondant à ce débit. On peut également constater que les valeurs de pressions statiques varient peu coté dépression des aubages lorsque le débit change, alors que celles qui correspondent aux zones allant vers le coté pression sont plus sensibles aux variations du débit. C est donc bien les régions non influencées par la présence directe du bord d attaque des aubes du diffuseur qui sont les plus sensibles aux variations de débit et donc aux variations des angles d entrée le long de la section d entrée du diffuseur. Enfin, le gradient de pression statique s inverse bien lorsque le débit est grand ; cela correspond à des angles d incidence négatifs au bord d attaque des aubages. La face initialement considérée en dépression pour le débit nominal, se retrouve logiquement en surpression. 3. Comparaison entre les calculs et les mesures de pressions pariétales. Sont présentés, ci après en figures 3a, 3b, 3c et 3d, les résultats de calculs 3D RANS, issus de modélisation de type «frozen rotor» et «instationnaire». Ils sont comparés aux résultats expérimentaux toujours pour ce qui concerne les évolutions des pressions statiques pariétales. Les deux types de calculs n ont pu être effectués que pour 3 débits parmi les 4 présentés en figures Comparaison entre les mesures de pression pariétales et de l extrapolation en paroi des résultats issus des sondages. Les résultats expérimentaux obtenus par ces deux mesures montrent que des écarts existent entre les niveaux de pressions statiques pariétales qui sont généralement plus forts que les pressions obtenus par extrapolation des sondages. Cependant, les gradients tangentiels sont bien respectés. Par ailleurs, les écarts de niveau de pression sont d autant plus faibles que le débit considéré diminue. Les écarts entre les deux techniques de mesure peuvent être expliqués par les effets de blocage lié à la présence de la sonde d exploration dans l écoulement proprement dit. 3.2 Comparaison entre les deux approches numériques Les résultats des calculs entre l approche en «frozen» rotor et l approche complètement instationnaire sont très proche l une de l autre, ce qui montre bien que les valeurs et les gradients tangentiels de la pression statique en entrée de diffuseur résultent essentiellement de l effet des bords d attaque et de l incidence moyenne de l écoulement. Le caractère instationnaire de celui-ci n affecte donc pas, à ce niveau, les gradients de pression. 3.3 Comparaison entre mesures et résultats de simulation On peut constater que les résultats sont très proches pour le débit nominal du diffuseur, c'est-à-dire pour Q/Q*= 0,762, figure 3c. Pour les débits supérieurs, les effets d interaction entre la roue et les aubes du diffuseur ont une influence sur les résultats comme on peut le constater figures 3a et 3b. Ces résultats doivent cependant être analysés en détail, en particulier en fonction des techniques d évaluation des valeurs moyennes extraites des calculs instationnaires, car les valeurs sont systématiquement plus faibles que celles des calculs stationnaires et des mesures, ce qui, si ces résultats étaient considérés comme valables, tendrait à faire croire que les pertes dans la partie lisse du diffuseur entre le bord de fuite de la roue et l entrée du diffuseur sont plus fortes que celles obtenues par le calcul stationnaire.

4 Pressions statiques expérimentales au niveau du carter Calcul Star ccm+ en instationnaire Intrados Extrados FIG. 3a Distribution tangentielle des pressions statiques pariétales. Débit réduit Q/Q* = 1,14 Intrados Extrados Pressions statiques expérimentales au niveau du carter Calcul Star ccm+ en instationnaire FIG. 3b Distribution tangentielle des pressions statiques pariétales. Débit réduit Q/Q* = 0,975

5 Extrados Pressions statiques expérimentales au niveau du carter Calcul Star ccm+ en instationnaire FIG. 3c Distribution statiques pariétales. Débit réduit Q/Q* = 0,762 Pressions statiques expérimentales au niveau du carter FIG. 3d Distribution tangentielle des pressions statiques pariétales. Débit réduit Q/Q* = 0,58

6 4. Conclusions Plusieurs sources d interprétation des résultats doivent être confrontées aux résultats locaux obtenus dans ce travail. En effet, nous disposons, en plus des résultats des prises de pression statiques pariétales, de mesure de vitesses en module et direction à partir des sondages et des mesures par techniques optiques non intrusives de type PIV. Ces analyses, permettant de coupler les résultats obtenus à partir de différentes techniques de mesures et de modélisation, devraient permettre de mieux analyser les écoulements complexes liés aux effets d interaction entre roue et diffuseur en dehors des points d adaptation des machines centrifuges de ce type. References [1] G. Wuibaut, G. Bois, M. El Hajem, A. Akhras, J.Y. Champagne, Optical PIV and LDV Comparisons of Internal Flow Investigations in SHF Impeller, Int. J. of Rotating Machinery, 1-9, 2006 [2] G. Cavazzini, P. Dupont, G. Pavesi, A. Dazin, G. Bois, A. Atif, P. Cherdieu, Analysis of unsteady flow velocity fields inside the impeller of a radial flow pump : PIV measurements and numerical calculation comparisons, Proc. of ASME-JSME-HSME Joint fluids engineering conference 2011, July 24-29, 2011, Hamamatsu, Japan [3] G. Cavazzini, G. Pavesi, G. Ardizzon, P. Dupont, S. Coudert, G. Caignaert, G. Bois, Analysis of the rotor-stator interaction in a radial flow pump 2009 Houille blanche revue internationale de l eau