Axial Compressor Blade Design for Desensitization of Aerodynamic Performance and Stability to Tip Clearance

L'écoulement de jeu d'aube est l'écoulement qui passe à travers le jeu entre le bout de l'aube du rotor et le carter d'une turbomachine, tels qu'un compresseurs ou une turbine. Cet écoulement est entraîné par la diérence de pression à travers l'aube (charge aérodynamique) dans la région du bout de l'aube et constitue une source majeure de perte de performance et de stabilité aérodynamique des compresseurs axiaux de moteurs d'avions modernes. Une augmentation du jeu d'aube peut survenir de façon temporaire en raison de la dilatation diérentielle radiale entre l'aube et le carter en opération transitoire ou permanente en raison de l'usure du moteur ou à cause des tolérances de fabrication sur de petites aubes. Cette augmentation augmente l'écoulement de jeu d'aube et se traduit par une plus grande consommation de carburant et un risque plus élevé de calage du moteur. Une conception du compresseur qui permet de réduire la sensibilité de la performance et stabilité aérodynamique de ce dernier à l'augmentation du jeu d'aube aurait un impact majeur à court et à long terme sur la performance et l'enveloppe d'opération du moteur. Alors que de nombreuses recherches ont été menées sur l'amélioration de la performance nominale du compresseur, peu a été fait sur la désensibilisation à l'accroissement du jeu d'aube au-delà des observations isolées que certains designs d'aubes, comme l'inclinaison amont en corde, semblent être moins sensibles à l'augmentation du jeu d'aube. Ce projet vise à identifier à travers une étude numérique les caractéristiques de l'écoulement et les mécanismes associés qui réduisent la sensibilité des rotors de compresseurs axiaux au jeu d'aube et à proposer des stratégies de conception de lames qui exploitent ces résultats. La méthodologie commence par la conception d'un rotor de compresseur axial conventionnel de référence suivie d'une étude paramétrique avec des variations de ce design par la modification de la ligne de cambrure et de la ligne d'empilage des profils de pale long de l'envergure. Il est à noter que la méthode de désensibilisation la plus simple serait de réduire la charge aérodynamique dans la région du bout de l'aube, ce qui réduirait l'écoulement de jeu d'aube et la proportion de sa contribution à la perte de performance. Cependant, avec la plus grande partie du travail sur l'écoulement qui se fait dans cette région, cette approche entraînerait une pénalité de la performance nominale. Par conséquent, la philosophie choisie de conception du rotor vise à maintenir le chargement aérodynamique constant le long de l'envergure de l'aube pour éviter de sacrifier performance au profit de la désensibilisation. Les designs résultant de cet exercice sont simulées dans ANSYS CFX à diérentes tailles de jeu d'aube. La variation de leur performance par rapport à la taille du jeu (sensibilité) est comparée au niveau intégral en termes de rapport de pression et de rendement adiabatique, ainsi qu'au niveau détaillé en termes de pertes aérodynamiques et de blocage liés à l'écoulement de jeu d'aube.