Stall characterization in a sCO2 centrifugal compressor

This thesis investigates the fluid-dynamic behavior of a centrifugal compressor operating with supercritical CO2 under reduced mass flow rate conditions, with particular emphasis on operation close to the thermodynamic critical point. The objective is to assess how near-critical operating conditions affect compressor rangeability on the left side of the characteristic curve and to determine whether critical point proximity amplifies internal instabilities and modifies the stall limit. A detailed CFD analysis is conducted using steady RANS and unsteady URANS simulations for two thermodynamic states: a near-critical case and a far-critical case. A barotropic model is adopted to account for significant variations in density and speed of sound, including the effects of CO2 phase change. The unsteady flow field is characterized through 84 pressure probes distributed along the diffuser circumference, enabling spectral and circumferential modal analyses of pressure fluctuations. Results demonstrate a marked sensitivity of compressor stability to critical point operation. In the near-critical case, phase change at the impeller leading edge induces asymmetric shock structures and modifies mass flow redistribution within the blade passages. Moreover, a fully developed deep rotating stall emerges in the diffuser, characterized by a single dominant stall cell rotating faster than the impeller. This unsteady structure significantly increases pressure oscillation amplitudes and reduces the left-hand boundary of the characteristic curve. In contrast, the far-critical case does not exhibit a coherent deep-stall regime within the investigated operating range. Pressure fluctuations remain lower in amplitude and spatially less organized, and no stable rotating stall cell can be clearly identified. The absence of phase change and weaker non-ideal gas effects contribute to a more stable off design behavior.

La seguente tesi analizza il comportamento fluidodinamico di un compressore centrifugo operante con CO2 supercritica in condizioni di portata massica ridotta, con particolare attenzione al funzionamento in prossimità del punto critico termodinamico. L’obiettivo è valutare come le condizioni operative near-critical influenzino l’estensione del campo di funzionamento del compressore sul lato sinistro della curva caratteristica e determinare se la vicinanza al punto critico amplifichi le instabilità interne e modifichi il limite di stallo. Viene condotta un’analisi CFD dettagliata mediante simulazioni RANS stazionarie e URANS non stazionarie per due stati termodinamici: un caso near-critical e un caso far-critical. Viene adottato un modello barotropico per tenere conto delle significative variazioni di densità e velocità del suono, inclusi gli effetti del cambiamento di fase della CO2. Il campo di moto non stazionario è caratterizzato tramite 84 sonde di pressione distribuite lungo la circonferenza del diffusore, consentendo analisi spettrali e modali delle fluttuazioni di pressione sull'intera circonferenza. I risultati mostrano una marcata sensibilità della stabilità del compressore al funzionamento in prossimità del punto critico. Nel caso near-critical, il cambiamento di fase al bordo d’attacco del rotore induce strutture d’urto asimmetriche e modifica la ridistribuzione della portata massica nei canali palari. Inoltre, nel diffusore si sviluppa uno stallo rotante profondo e completamente sviluppato, caratterizzato da una singola cella dominante che ruota più velocemente del rotore. Questa struttura non stazionaria aumenta significativamente l’ampiezza delle oscillazioni di pressione e riduce il limite sinistro della curva caratteristica. Al contrario, il caso far-critical non mostra un regime di stallo profondo e coerente nell’intervallo operativo analizzato. Le fluttuazioni di pressione risultano di ampiezza inferiore e spazialmente meno organizzate, e non è possibile identificare chiaramente una cella di stallo rotante stabile. L’assenza di cambiamento di fase e gli effetti meno marcati di gas non ideale contribuiscono a un comportamento più stabile anche al di fuori delle condizioni di progetto.