Transcript τ et τ ,
Limites d’un modèle global à un seul volume de contrôle dans les joints labyrinthes de turbomachines. M. HMAMOU(1), M. SRITI(1) & M. KAMOUNI(2) (1) Laboratoire de Modélisation en Mécanique Energétique, FSTE, B.P.509, Boutalamine, Errachidia, Maroc. (2) E.S.T. Fès, Département Génie Mécanique et Productique, Maroc 1. Introduction: Les joints labyrinthes sont des dispositifs mécaniques utilisés dans les turbomachines pour limiter le débit de fuite entre la roue et le carter. Naturellement, la fuite doit être minimisée afin d'améliorer la performance des turbomachines. Ces dispositifs mécaniques peuvent modifier les caractéristiques statiques et dynamiques de la ligne d’arbre dont laquelle ils sont intégrés. L’objectif de ce travail est de discuter les limites de validité du modèle global, notamment, l’hypothèse d’un seul volume de contrôle par cavité qui consiste à supposer la vitesse circonférentielle et la pression comme uniformes. Pour se faire, nous avons procédé un calcul local à l’aide d’un code 3D axisymétrique dans un modèle de joint labyrinthe à dents rectangulaires portées par le rotor. Le calcul effectué consiste essentiellement sur l’influence de la vitesse de prérotation sur la vitesse moyenne circonférentielle dans une cavité. Ui + Stator m i + 1 m i Ui θ Rd Rotor Stator dθ Fig.2: Volume de contrôle en espace Stator Cr m i m i + 1 Pi Ui Rotor 2. Modèle Global: Iwatsubo [1] était le premier qui a développé un modèle global décrivant l’écoulement à travers un joint labyrinthe constitué par une succession de cavités rectangulaires portées par le rotor (Fig.1). Ce modèle est basé sur les équations de continuité, de quantité de mouvement dans la direction circonférentielle et l'équation donnant le débit de fuite axiale au niveau des rétrécissements. Ce modèle suppose que le volume de contrôle coïncide avec la cavité. En 1986, Childs [2] a repris le modèle d’Iwatsubo en introduisant la variation de la surface du volume de contrôle dans la direction circonférentielle. Ensuite, Childs et Scharrer (1988, [3]) ont procédés des études expérimentales pour confronter les mesures avec les prédictions théoriques portées sur les coefficients dynamiques de raideur et d’amortissement. D’autres études théoriques et expérimentales sont succédées, nous citons à titre d’exemples les travaux de Williams (1998, [4]), Sriti (1999, [5]), Forte (1999, [6]) et Kim (2003, [7]). dU i dθ dθ B L Ai Fig.3: Volume de contrôle en plan L’écoulement dans un joint labyrinthe peut être décrit par l'équation de conservation de la masse et l'équation de conservation de la quantité de mouvement dans la direction circonférentielle. Ces équations sont appliquées à un volume de contrôle qui coïncide avec une cavité (figures 2 et 3). ∂ 1 ∂ ( ρ i Ai ) + ( ρ i AiU i ) + m i +1 − m i = 0 ∂t R ∂θ ∂ 1 ∂ ( ρ i AiU i ) + ( ρ i AiU i2 ) + ( m i +1 − m i )U i = R ∂θ ∂t A ∂P − i i + (τ r i ar i − τ s i a s i ) Li R ∂θ Où Pi, Ui, et ρi (2) sont respectivement la pression, la vitesse circonférentielle et la masse volumique dans la i et m i +1 sont respectivement les débits de ième cavité. m fuite axiale par unité de longueur en entrée et en sortie de la cavité (i). Ai est la section transversale du volume de contrôle. ar et as sont des grandeurs sans dimensions qui représentent le rapport du contour mouillé sur la longueur équivalente de la cavité, respectivement, pour le rotor et le stator: Rotor Les Fig.1: Joint labyrinthe à cavités rectangulaires (1) contraintes de frottement τ r et τs , respectivement pour le rotor et le stator, sont modélisées par Childs (1986 [2]) pour un écoulement turbulent lisse dans une cavité de joint labyrinthe. ___________________________________________________________________________________________________ 9ième Congrès de Mécanique, FS Semlalia, Marrakech 52 τ ri = τ si = ρi D Rω − U i ( Rω − U i ) no Rω − U i h i 2 νi ρi D U i2 n o U i h i 2 νi mo mo (3) sont obtenues par intégration des fluctuations de pression le long du joint et le long de la circonférence. (4) F x = −εR Où Dhi est le diamètre hydraulique défini par: 2( H i + B i ) L i (5) Dhi = ( H i + Bi + Li ) Pour un écoulement pleinement turbulent dans une conduite à paroi lisse, les coefficients empiriques de Blasius s’écrivent: mo=-0.25 et no=0.079 L’équation des gaz parfaits est utilisée pour exprimer la masse volumique en fonction de la pression. La température T est supposée constante dans le joint labyrinthe. (6) Pi = ρ i R c T Le débit de fuite qui fourni la vitesse moyenne axiale Wi à travers la zone de rétrécissement au droit d’une dent est exprimé de façon empirique par Neumann [8]. Avec Pi −21 − Pi 2 = ρ i H iWi Rc T µ i est (7) le coefficient du débit de fuite qui dépend du rapport des pressions de part et d’autre d’une dent. π µi = π + 2 − 5β i + 2 β i2 Où γ ; β i = Pi −1 P i ( γ −1 ) / γ est le coefficient spécifique de la chaleur. (8) µo est un facteur semi-empirique d’énergie cinétique qui dépend essentiellement de la géométrie du labyrinthe. 8.52 H 1 (9) µo = ; α= (L − t d ) + 7.23 H 1−α Où H est le jeu radial local, L est la longueur équivalente des cavités et td est l’épaisseur des dents. Pour la dernière dent, µ o est égale à l’unité, car on suppose que l’énergie cinétique disparaît complètement dans une cavité infinie. i =1 N −1 ∑ Li i =1 ∫ Li 2π P1 i cos θ d θ 0 ∫ 2π 0 (11) P1 i sin θ d θ Les coefficients dynamiques de raideur (K, k) et d’amortissement (C, c) peuvent être déterminés à l’aide de l’équation dynamique qui exprime les composantes de la résultante des forces de pression en fonction du déplacement (x, y) et de la vitesse de déplacement ( x , y ) du centre du rotor. Fx K − = Fy − k Avec Rc est la constante des gaz parfaits. m i = µ o µ i H i F y = εR N −1 ∑ k K x C + y − c c C x y (12) x = a cos( ω t ) y = b sin( ω t ) (13) où a et b représentent les amplitudes de l’orbite elliptique. 3. Calcul 3D axisymétrique: Le code de calcul utilisé permet la résolution des équations de Navier-Stokes pour des écoulements en rotation, instationnaires, turbulents. Le code utilise une méthode mixte d'Euler-Lagrange dans un système de coordonnées cylindriques pour des configurations axisymétriques. La discrétisation spatiale est du type éléments finis alors que celle temporelle et du type différences finies au premier ordre à pas fractionnaires. Le modèle de turbulence utilisé est celui de k − ε standard. Le code a été validé et testé pour de nombreuses configurations pratiques de joints de turbomachines [9]. Le calcul est effectué dans un modèle de joint labyrinthe expérimental de Boyman et Stoff [10,11] montré dans la figure 4. Le modèle est constitué de quatre cavités rectangulaires séparées par des lèches (dents) portées par le rotor qui réside dans un carter (stator). L’écoulement de fuite entre rotor-stator est assuré par une différence de pression entre l’entrée et la sortie du joint. stator Pour des petits mouvements du centre du rotor par rapport à sa position d’équilibre initiale, les équations sont linéarisées en pratiquant une méthode de perturbation en fonction de l’excentricité relative ( ε = e / Cr << 1 ). Pi = Poi +ε P1i H i = Cri + ε H1 5 mm d 47,5 mm r, v rotor U i = U oi + ε U 1i Ai = Ao + ε Li H1 R=425 mm (10) La solution d’ordre zéro fournie la distribution moyenne de pression et de vitesse circonférentielle dans chaque cavité. La solution du premier ordre, pour une orbite elliptique du centre du rotor, fournie les fluctuations de pression et de vitesse circonférentielle le long du joint. Les forces de pression exercées sur le rotor o w ω 45 mm 5 mm z, u Fig.4: Modèle de Joint Labyrinthe Les conditions de calcul sont caractérisées par les nombres de Reynolds et de Taylor associés à la vitesse d’arbre, la distance d’espacement entre le rotor et le stator (d=52.5) et le rayon de l’arbre (R=425mm). Le maillage est suffisamment fin à proximité des parois pour évaluer le comportement d’écoulement pariétal. La ___________________________________________________________________________________________________ 9ième Congrès de Mécanique, FS Semlalia, Marrakech 53 vitesse tangentielle initiale est supposée égale à la moitié de la vitesse de rotation d’arbre. Le fluide étudié est de l’eau. W R 2 Cr U ox ≈ 5 105 Rex = ≈ 103 ; Rerayon = a ν ν Ta = Wa d d R ν ≈ 2 104 4. Résultats et discussion: Le calcul 3D axisymétrique effectué dans cette configuration de joint labyrinthe permet de connaître la structure fine d’écoulement et comprendre les phénomènes physiques produits dans le joint (Fig.5). Le profil de vitesse en plan radial et axial au milieu d’une cavité est satisfaisant en comparaison avec les mesures de Boyman et Stoff (Fig.6 et 7). Ensuite, une série de calculs paramétriques a été effectuée, en étudiant l’influence de la vitesse tangentielle initiale (vitesse de prérotation) sur la vitesse moyenne circonférentielle dans les cavités. Les résultats obtenus ont montrés que le modèle global est partiellement justifié suivant les valeurs initiales considérées de la vitesse de prérotation. Fig.5: Champ de vitesse en plan axial 1,2 Stoff-LDA mesurment Boymann-Hot Film mesurment Axisymmetrical computation 1,0 w/Wa 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 radial direction r(m) Fig.6: Vitesse circonférentielle en plan radial au milieu d’une cavité 1,0 Stoff-LDA mesurment Boyman-Hot Film mesurment Axisymmetrical computation 0,9 w/Wa 0,8 0,7 0,6 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 Conclusion: L'étude paramétrique de la vitesse de prérotation a permis de dégager les conclusions suivantes: - Le modèle global de Childs basé sur un seul volume de contrôle par cavité est justifié uniquement lorsque la vitesse de prérotation est proche de 0.5 fois la vitesse de l’arbre. - Les contraintes de frottement relatives au rotor et au stator peuvent être améliorées en tenant compte de la composante axiale de la vitesse dans leurs expressions. En général dans le cas pratique, la vitesse de prérotation est supposée opposer au sens de rotation de l'arbre pour réduire le comportement d'instabilité des machines. Par conséquent, il serait souhaitable de remplacer le modèle de Childs à un seul volume de contrôle par cavité par un modèle à deux volumes de contrôle; un au niveau de la zone de rétrécissement, l'autre juste à l'intérieur de la cavité. Références: [1] Iwatsubo T., Motoka N. and Kawai R., 1982, Flow induced Force and Flow Pattern of Labyrinth Seals, NASA CP N°2250, Texas A&M University, pp.139-167. [2] Childs D W., and Scharrer J., 1986, An Iwatsubo Based Solution For Labyrinth Seals: Comparison to Experimental Results, Journal For Gas Turbines and Power, pp.325-331. [3] Childs D., and Scharrer J., 1988, Theory Versus Experiment For the Rotordynamic Coefficients of Labyrinth Gas Seals, Journal of Vibration Acoustics, Stress, Reliability, and Design, Vol. 110, pp.281-287. [4] Williams B.P. and Flack R.D, 1998, Calculation of Rotor Dynamic Coefficients for Labyrinth Seals, Journal of Rotating Machinery, Vol.4, N°4, pp. 257-269. [5] Sriti M., Agouzoul M., Ouazar D., and Micheau P., 1999, Experimental and Theoretical Static and Dynamic Behaviour in Labyrinth seals, AM.S.E Journal, Section B, Vol.62, N°2, pp.15-36. [6] Forte P. and Latini F., 1999, Theoretical Rotordynamic Coefficients of Labyrinth Gas Seals, Journal of Rotating Machinery, Vol.5, No. 1, pp. 67-76. [7] Kim N., and Rhode D. L., 2003, Refined Turbulence Modelling for Swirl Velocity in Turbomachinery Seals, Journal of Rotating Machinery, Vol.9, pp.451-459. [8] Neumann K., 1964, Zur Frage der Verwendung yon Durchblickdichtungen im Dampfturbinenbau, Maschinentechnik, Vol.13, N°4. [9] Sriti M., Boukrim L., and KAMOUNI M., Numerical Simulation in Labyrinth Seal with Lagrangian-Eulerian Method, AMSE Journal, Modelling B, Vol.75 N°5, pp. 53-62, 2006. [10] Boymann T., 1978, Transport Phenomena in Labyrinth Seals of Turbomachines, AGAR-CCP-237, Seal Technology in Gas turbine Engines, London, 1978. [11] Stoff H., 1980, Incompressible Flow in a Labyrinth Seal, Journal of Fluid Mechanics, Vol.100, pp.817-829. Length of cavity (m) for r=0.4475m Fig.7: Profil de vitesse circonférentielle en plan axial pour r=441mm ___________________________________________________________________________________________________ 9ième Congrès de Mécanique, FS Semlalia, Marrakech 54