Assessment and Modification of Novel Counter-Rotating Centrifugal Compressor Concept for Transonic Speeds

Cette étude présente la première évaluation aérodynamique réaliste et modification à un nouveau concept de compresseur centrifuge contra-rotatif pour application dans les moteurs d'avion. Ce concept consiste à remplacer le diffuseur dans un compresseur centrifuge aéronautique par un court diffuseur sans aubes et un rotor axial tournant à contre-sens pour doubler l'augmentation de pression totale déjà élevée de l'impulseur. Cet étage de compresseur compact avec un rapport de pression par étage sans précédent permettrait de réduire la consommation de carburant des moteurs d'avion et/ou leur taille, poids et complexité mécanique. Cependant, ce concept n'a été évalué qu'à des vitesses très inférieures à celles dans les moteurs d'avion. Cette recherche a pour objectif d'identifier les problèmes aérodynamiques qui empêcheraient ce concept d'atteindre son plein potentiel en terme de performance et d'évaluer des stratégies de conception pour les résoudre. Une approche numérique utilisant des simulations numériques de l'écoulement (CFD) de type RANS a été choisie pour permettre une évaluation rapide des changements de design et une analyse détaillée du champ d'écoulement. La méthodologie commence avec la conception d'un compresseur centrifuge conventionnel (CC) de moteurs d'avion pour définir les cibles de design pour le compresseur centrifuge contra-rotatif (CRC) qui doit en doubler l'augmentation de pression totale tout en maintenant (ou améliorant) le rendement polytropique et la stabilité aérodynamique. Le compresseur CRC doit avoir le même impulseur et débit de design et posséder un rotor axial contra-rotatif tournant à la même vitesse que l'impulseur (rapport de vitesses à 100%) avec un écoulement sortant axial. Un premier compresseur CRC est conçu et évalué afin d'identifier les causes de déficit de performance. Des stratégies de conception aérodynamique différentes sont alors évaluées pour produire un design révisé du compresseur CRC. Ce compresseur est alors analysé au point de design et hors-design pour en déterminer la performance et la stabilité aérodynamique (marge contre le décrochage) et les causes de tout déficit restant de performance et de déclenchement du décrochage tournant. De nouvelles stratégies sont alors proposées pour atteindre les cibles. Les résultats indiquent que le concept de compresseur CRC aux vitesses transsoniques peut probablement atteindre les cibles d'augmentation de pression totale et de rendement si deux contraintes initiales de design peuvent être levées, soient le rapport de vitesses à 100% et l'écoulement de sortie axial afin de réduire les pertes aérodynamiques excessives dans le rotor axial contra-rotatif. En premier lieu, l'écoulement relatif d'entrée hautement supersonique au rotor axial entraîne des pertes de chocs et des pertes visqueuses dues au décollement de couche limite induit par les chocs. Les remèdes de première ligne les plus efficaces sont la combinaison de réduction de vitesse du rotor axial et le remplacement du diffuseur sans aubes par un diffuseur avec aubes pour diminuer le nombre de Mach relatif de l'écoulement d'entrée en régime bas supersonique, et l'utilisation d'un profil d'aube supersonique optimisé pour réduire la force des chocs via une diffusion de l'écoulement par multiples chocs. Cependant, l'impact hautement négatif des deux premières stratégies sur l'augmentation de pression totale à travers le rotor axial doit être compensé par un écoulement de sortie non-axial pour que ce rotor puisse égaler l'augmentation de pression totale de l'impulseur. Une fois les pertes de chocs et visqueuses réglées, le jeu d'aube du rotor axial doit être diminué à bien en deçà de 1% de la hauteur des aubes pour pouvoir combler le déficit de rendement polytropique. Des améliorations additionnelles incluent l'optimisation des aubes du diffuseur à aubes et du rotor axial afin d'éliminer tout décollement de couche limite, ainsi que le remplacement de l'impulseur par un rotor à écoulement mixte de conception agressive. Finalement, les résultats hors-design indiquent que les compresseur CRC devraient avoir une meilleure stabilité aérodynamique que les compresseurs CC équivalents, même avec un jeu d'aube relativement grand pour le rotor axial. De plus, le rotor axial contra-rotatif est la source probable de l'initiation du décrochage via une déstabilisation de l'écoulement de jeu.