Duplaa, Sébastien (2008) Experimental study of cavitating centrifugal pump during fast start-up. PhD thesis Mécanique, Laboratoire de mécanique de Lille, ENSAM 2008ENAM0040 p.193.

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Abstract

Abstacct : The start-up of rocket engine turbopumps is generally performed in a few seconds only. It implies that these pumps reach their nominal operating conditions after only a few rotations. During these first rotations of the blades, the flow evolution in the pump is governed by transient phenomena, based mainly on the flow rate and rotation speed evolution. The pump transient behavior induces significant pressure fluctuations which may result in partial flow vaporization, i.e. cavitation. The present study focuses on cavitation induced during the pump start-up with two objectives : i) to analyze the cavitating behavior of the pump during fast start-up, ii) to take into account the cavitation phenomena in the prediction of pump behavior during fast start-up. An existing experimental test rig has been updated in the LML laboratory (Lille, France) for the start-ups of a centrifugal pump. Instantaneous measurements of torque, flow rate, inlet and outlet unsteady pressures, and pump rotation velocity enable to characterize the pump behavior during rapid starting periods. Visualizations with high speed camera are also included in the experimental device. A functional model devoted to the prediction of the pump behavior during fast start-up in non cavitating conditions has been developed previously in the LML laboratory, and it has been modified in the present study by taking into account the stationary head drop due to cavitation. The calibration of the transient terms in cavitating conditions requires the determination of the local density within the impeller. For that purpose, X-rays measurements have been performed during fast starts-up with the collaboration of CEA (French nuclear agency). These results will enable to optimize the prediction.

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Table of content

SOMMAIRE 004

NOMENCLATURE 008

INTRODUCTION GENERALE

I. Les démarrages rapides de pompes 009

II. Le phénomène de cavitation et son impact sur les démarrages rapides

012

Chapitre 1 : ETUDE ANALYTIQUE DE L’ORDRE DE GRANDEUR DES TERMES INSTATIONNAIRES LIES A LA CAVITATION

Introduction 019

I. Présentation du cas d’étude 019

I.1 Caractéristiques de la roue 019

I.2 Conditions hydrodynamiques 020

II. Dynamique du fluide contenu dans la roue 021

II.1 Equation de couple interne 021

II.2 Hypothèse de masse volumique moyenne 023

II.3 Expression des termes instationnaires 025

III. Ordre de grandeur et comparaison 027

III.1 Terme pseudo-stationnaire 027

III.2 Termes instationnaires déjà pris en compte antérieurement 029

III.3 Importance relative des termes instationnaires directement dus à la présence de

cavitation dans la roue 029

Récapitulatif

Chapitre 2 : PRESENTATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL

I. Présentation générale du banc d’essais 031

II. Description de la ligne d’arbre 032

III. Présentation de l’instrumentation 036

IV. Présentation de la roue centrifuge 040

Annexes A et B

Chapitre 3 : RESULTATS DES ESSAIS STATIONNAIRES 043

I. Présentation des essais stationnaires 043

II. Résultats des essais stationnaires hors cavitation 044

III. Résultats des essais stationnaires en cavitation 047



Conclusion des essais stationnaires 054

Chapitre 4 : ESSAIS DE DEMARRAGES RAPIDES

I. Rapidité de démarrage 055

II. Présentation des essais de démarrages rapides 058

III. Résultats des essais de démarrages rapides hors cavitation 059

IV. Résultats des essais de démarrages rapides en cavitation 063

IV.1 Présentation des différents types de démarrages rapides en cavitation 064

IV.1.1 Premier type de comportement : « Fluctuations haute fréquence » 064

IV.1.2 Deuxième type de comportement : « Oscillations basse fréquence » 066

IV.1.3 Troisième type de comportement : « Coup de bélier »

067

IV.2 Cartographie des différents types de démarrages rapides en cavitation 069

Conclusion partielle 171

IV.3 Analyse physique des démarrages rapides en cavitation 071



IV.4 Visualisations de la cavitation instationnaire 079

IV.4.1 Visualisation de la roue 080

IV.4.1.1 Cas 2 : « Fluctuations haute fréquence » 081

IV.4.1.2 Cas 1 : « Oscillations basse fréquence » 083

IV.4.1.3 Cas 1 : « Coup de bélier » 086

Récapitulatif des visualisations dans la roue 089

IV.4.2 Visualisation de la conduite d’aspiration 089

Chapitre 5 : MESURE DE LA FRACTION VOLUMIQUE LOCALE PAR RAYONS X

Introduction 092

I. Adaptation du banc d’essais 093

I.1 Conception d’une nouvelle roue 093

I.2 Conception d’un nouveau corps de pompe 195



II. Dispositif expérimental 100

III. Procédure d’essais 102

IV. Résultats d’essais rayons X 104

IV.1 Préambule 104

IV.2 Résultats d’essais rayons X dans la roue lors de démarrages rapides en cavitation 107

IV.2.1 Résultats RX d’un démarrage rapide type « oscillations basse fréquence » 107

IV.2.2 Résultats RX d’un démarrage rapide type « fluctuations haute fréquence » 112

IV.2.3 Résultats RX d’un démarrage rapide type « coup de bélier » 114

IV.3 Résultats d’essais rayons X dans la conduite d’aspiration 116



Conclusion 118

Chapitre 6 : MODELISATION FONCTIONNELLE DES DEMARRAGES RAPIDES EN CAVITATION

I. Présentation des modèles proposés au LML 119

I.1 Modèle basé sur l’équation 1D du fluide dans la roue 119

I.1.1 Modèle initial 119

I.1.2 Evolution du modèle 121

I.2 Modèle basé sur les équations de moment de quantité de mouvement et d’énergie 124

I.2.1 Equation du moment de quantité de mouvement 124

I.2.2 Equation de l’énergie 125

I.2.3 Expression de la surpression 126

I.2.4 Evaluation des termes transitoires 127

I.3 Comparaison des modèles avec des résultats expérimentaux 128

II. Modélisation des transitoires en régime cavitant 130

II.1 Modèle de la littérature 130

II.2 Adaptation du modèle ECE à des régimes cavitants 131

II.2.1 Estimer la courbe de chute de performance en stationnaire en fonction

de la géométrie de la roue, du débit et de la vitesse de rotation 132

II.2.2 Estimer la surpression transitoire fournie par la pompe en cavitation

à partir des états stationnaires (chutes de performance 135

II.2.2.1 Description de la programmation 137

II.2.2.2 Présentation d’un cas d’étude 140



Conclusion

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 147

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 150

Annexe 1 : REPETITIVITE DES DEMARRAGES RAPIDES

Annexe 2 : CARACTERISATION ET ORIGINE DU SAUT DE COUPLE 160

Annexe 3 : ANALYSE SPECTRALE DES SIGNAUX 166

Annexe 4 : DIMENSIONNEMENT DE LA ROUE EN PLEXIGLAS 177

Annexe 5: RESULTATS DE DEBITMETRIE

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