Flows stability and fluid-structure interaction within labyrinth gas seals
Stabilité des écoulements et interaction fluide structure dans les joints labyrinthe
Résumé
Aerospace turbopumps usually use labyrinth gas seals to prevent the gas driving the turbine to leak in the gap between the rotor and the stator parts. Current trends in turbopumps design focus on the minimization of the clearance, so as to optimise the efficiency, and on the reduction of the stator weight. However, these trends may lead to aeroelastic stability issues which can damage the structure, mainly static parts according to post-mortem observations.To tackle these new challenges, more predictive models must be devised in order to take the stator flexibility and the leakages into account. The purpose of this work is to carry out a numerical investigation on an advanced labyrinth gas seal model comprising a non-deformable rotor, and a flexible stator. The flexibility of the static part induces pressure and velocity fluctuations within the leakage flow. The model retains several cavities formed by the teeth located on the shaft. Eventually, a strong coupling between the fluid and the structure is assumed.The model governing the behaviour of the flow in a cavity is inspired by Childs analytical model and Navier-Stokes equations. The model of the flow is then coupled to a mechanical model corresponding to the stator. The structure can be supported on the low pressure side as well as on the high pressure side. Taking into account those boundary conditions allows a direct comparison with results given by Abbott.The coupled system obtained includes non linear differential equations. To overcome these non- linearities a perturbation method is used, as proposed by Childs. To solve this two-dimensional problem a Galerkin approach with a Fourier transform with respect to the space variables is used.This investigation takes into account a full coupling between the dynamics of the stator, including diameter modes, and the behavior of the labyrinth seal, providing new interesting insights on the dynamic of such system, especially in terms on aeroelastic stability.
Des joints labyrinthes sont utilisés dans les turbopompes spatiales pour limiter les fuites du gaz qui entraine la turbine dans l’interstice séparant le rotor du stator. Les tendances actuelles sont à la minimisation des jeux (pour optimiser le rendement) et à l’allègement du stator. Ces contraintes conduisent à l’apparition d’instabilités qualifiées d’aéroélastique qui peuvent mener à l’endommagement des structures internes de la turbine, notamment au niveau des partie statoriques selon des analyses post-mortem. Ces évolutions rendent nécessaires l’élaboration de modèles plus prédictifs au niveau de la prise en compte des fuites et de la souplesse du stator.L’objet de ce travail est de développer un modèle numérique avancé de joint labyrinthe prenant en compte un rotor non déformable et un stator flexible. La souplesse de la partie statorique induit des variations de pression et de vitesse au sein de l’écoulement. Le modèle peut comporter plusieurs cavités, le rotor peut être mis en rotation et les dents sont positionnées sur l’arbre.Le modèle d’écoulement développé est inspiré des travaux de Childs et utilise les équations simplifiées de Navier-Stokes. Le modèle de fluide est couplé à un modèle de dynamique des structures correspondant au stator (anneau ou cylindre). La structure peut être encastrée du côté des hautes pressions ou des basses pressions. La prise en considération de cette condition aux limites permet une confrontation précise des résultats avec les travaux d’Abbott. Le système fluide-structure obtenu comprend des équations non-linéaires aux dérivées partielles. Pour s’affranchir de ces non linéarités, une méthode de perturbation est utilisée. Pour résoudre ce problème à deux dimensions (en temps et en espace), une approche de Galerkin est utilisée.Ces développements prennent alors en considération un couplage fort entre le fluide et la structure, incluant les modes à diamètres et le comportement du joint labyrinthe. Les résultats obtenus apportent de nouvelles perspectives sur l’approche actuelle des instabilités aéroélastiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)