Profilage du moyeu pour augmentation de la performance des compresseurs à écoulement mixte

The compressor is a key component of modern aircraft engines. As it forces the flow to go against the pressure increase, it is susceptible to boundary layer separation, which affects its isentropic efficiency and aerodynamic stability, and by extension, the fuel consumption and operating envelope of the engine. Corner stall is a phenomenon that often occurs in a highly cambered blade row due to end wall cross flow that accumulates boundary layer fluid at the blade root resulting in a flow recirculation/aerodynamic blockage region. A promising passive corner stall mitigation technology is end wall contouring (EWC) which involves modifying the shape of the hub, often with surface undulations, to reduce cross flow. Although this technology has been studied for axial compressors, it has never been evaluated for mixed flow compressors. This type of compressor gives a higher pressure ratio per stage due to a large variation in radius, thus reducing the number of compressor stages in an engine. However, mixed flow compressors are much more susceptible to the corner stall problem due to the greater camber of their stators. This project aims to make a first evaluation of EWC technology for mixed flow compressors. An EWC design system for a compressor with a large hub radius variation is implemented. This system consists of an optimization loop in ANSYS Workbench that uses a script written in Python to modify the geometry of the EWC, defined via an analytical function, and the ANSYS CFX solver for CFD simulations. This system is then used to design a first EWC design with a one-parameter optimization for a mixed-flow compressor on a low-speed test bench. This compressor has two stators (tandem stator) and suffers from corner stall on the downstream stator, to which EWC is applied. Despite robustness problems at in ANSYS Workbench, which means that the resulting design is not yet optimal, the CFD simulations predict an improvement in efficiency comparable to what is found in the literature for low-speed turbomachinery. An evaluation of the flow field shows that the EWC reduces the cross flow at the hub and shifts the starting point of the corner stall downstream. To validate these results, this EWC is implemented on the downstream stator of the test bench by 3D printing.

Résumé

Le compresseur est un composant clé des moteurs d’avions modernes. Comme il force l’écoulement à aller contre l’augmentation de pression, il est sujet au décollement de couche limite qui affecte son rendement isentropique, sa stabilité aérodynamique, et par extension, la consommation et l’enveloppe d’opération du moteur. Le décrochage de coin est un phénomène qui survient souvent dans une rangée d’aubes à grande courbure due à un écoulement transversal qui génère une accumulation de fluide de couche limite du moyeu à l’emplanture de l’aube, créant un région de recirculation et de blocage aérodynamique. Une technologie d’atténuation passive prometteuse du décrochage de coin est le profilage du moyeu ou endwall contouring (EWC) qui consiste à modifier la forme du moyeu avec des ondulations de surface pour réduire l’écoulement transversal. Bien que cette technologie ait été étudiée pour les compresseurs axiaux, elle n’a jamais été évaluée pour les compresseurs à écoulement mixte. Ce type de compresseur offre un rapport de pression par étage supérieur grâce à une grande variation de rayon, réduisant ainsi le nombre d’étages de compresseur dans un moteur. Cependant, les compresseurs à écoulement mixte sont beaucoup plus susceptibles au problème de décrochage de coin due à la plus grande cambrure de leurs stators. Ce projet a pour objectif de faire une première évaluation de la technologie d’EWC pour les compresseurs à écoulement mixte. Un système de conception de EWC pour un compresseur ayant une grande variation de rayon au moyeu est mis en place. Ce système consiste en une boucle d’optimisation dans ANSYS Workbench qui utilise un ensemble de scripts (pour certains, directement intégrés dans l’environnement ANSYS Script) pour modifier la géométrie du moyeu, définie via une fonction analytique, et le solveur ANSYS CFX pour les simulations CFD. Ce système est ensuite utilisé pour concevoir un premier design de compresseur à écoulement mixte avec EWC à un paramètre d’optimisation sur un banc d’essai à basse vitesse. Ce compresseur a deux stators (stator tandem) et souffre de décrochage de coin sur le stator en aval, sur lequel le EWC est appliqué. Malgré des problèmes de robustesse au niveau du logiciel ANSYS Workbench qui empêche pour l’instant d’obtenir un design optimal, les simulations CFD prédisent une amélioration du rendement comparable à ce qui se trouve dans la littérature pour des turbomachines à basse vitesse.