Methodology and optimization in the design and performance analysis of incompressible fluid turbomachineries
Méthodologie et optimisation dans la conception et l'analyse des performances des turbomachines à fluide incompressible
Résumé
Faced with the problem of design in the pump industry, the main difficulty of manufacturers is to have fast, reliable and accurate methods. This research work involving, both theory and experiments deals, with this topic. We have developed a complete procedure for design, performance analysis and optimization of centrifugal and mixed incompressible flow turbomachinery. First of all, the definition of the pump geometry as well as the analysis of its global performance are carried out starting from the mean streamline method (1D), based on both ideal models and experimental correlations. A second stage of optimization is achieved from a quasi 3D method, by studying the meridional flow and blade to blade flow, using REMIX software developed by LEMFI. Finally, a three-dimensional flow study is performed by CFD tools from AEA-Technology group (CFX). The three-dimensional study provides the means to complete and validate the established procedure. To illustrate this procedure, a centrifugal machine with a volute was studied used. First, the analysis of the existing impeller was carried out to develop the various steps of the procedure. Then, the whole impeller-volute pump, was studied and compared with the previous trial runs. Special attention was paid to unsteady effects, resulting from impeller volute interaction. The results obtained are satisfactory. Finally, the integral method was applied to optimize a mixed flow pump equipped with a deswirl. As it is a badly dimensioned pump, it is a good example of what this method can do.
Confrontés au problème de tracé (design) des machines, le souci des constructeurs est de disposer de méthodes rapides, fiables et suffisamment précises. Le présent travail de recherche à caractère théorique et expérimental, sinscrit dans cette direction. Ainsi, nous avons mis au point une démarche complète de dimensionnement et doptimisation dans la conception et lanalyse des performances des turbomachines centrifuges et hélico-centrifuge à fluide incompressible. Partant dun cahier de charges, la définition géométrique de la roue ainsi que lanalyse de ses performances globales sont réalisées à partir dune méthode dite ligne moyenne (1D) basée sur des modèles théoriques et des corrélations expérimentales. Une deuxième étape, basée sur létude des écoulements méridien et aube à aube (méthode dite quasi-3D), est réalisée à laide du logiciel REMIX développé au LEMFI. Ce code permet la résolution des équations dynamiques moyennées régissant lécoulement interne stationnaire et non visqueux dans le repère relatif. Létape finale de la démarche consiste en létude tridimensionnelle de lécoulement à laide des logiciels de la CFD du groupe AEA-Technology (CFX), permettant de compléter et de valider la procédure établie. Pour illustrer cette démarche, une machine centrifuge à volute a servi de support. Dans un premier temps, létude de la roue existante a été réalisée pour la mise au point et la validation des différents éléments de la démarche. Lensemble roue-volute est étudié et comparé, par la suite, aux résultats expérimentaux. Une attention spéciale est portée sur les effets instationnaires, conséquence de linteraction roue-volute. Les résultats obtenus semblent très cohérents. Finalement, la démarche intégrale est appliquée pour loptimisation dune pompe hélico-centrifuge équipée dun redresseur. Sagissant dune pompe mal dimensionnée, loptimisation de lensemble est une bonne illustration.