Analyse, intégration et valorisation des technologies d'aspiration d'aubages dans les compresseurs de turboréacteurs

Study and control of three dimensional flow separations in a high pressure compressor stator blade row by boundary layer aspiration

• Auteur / Autrice : Ankit Sachdeva
• Direction : Francis Leboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique
• Date : Soutenance le 21/06/2010
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Ecole : École polytechnique fédérale (Lausanne, Suisse)
• Partenaire(s) de recherche : : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique
• Jury : Président / Présidente : Laurent Jacquin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Castillon, Thierry Obrecht
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Bois, Georges Gerolymos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couche limite

Écoulement tridimensionnel

Compresseurs

Mots clés libres

Compresseurs à haute pression

Décollements tridimensionnels

High pressure compressors

Three dimensional flow separations

Résumé

La performance du système de compression des turbomachines est limitée en grande partie par les décollements tridimensionnels; ils sont plus importants au niveau des parois internes où le fluide a tendance à décélérer dans les zones de faible impulsion. Ce travail de recherche met en œuvre l'aspiration de la couche limite afin de maîtriser les décollements dans les compresseurs. Ceci est obtenu par la mise en place de dispositifs d'aspiration sur le moyeu etle profil de l’aube afin de prélever judicieusement le fluide à faible énergie dans les couches limites et ainsi augmenter le taux de compression par étage. Cette thèse est issue de travaux de recherche réalisés conjointement avec l'Ecole Centrale de Lyon (ECL), l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et l'ONERA. Ces travaux ont été financés par la Commission Européenne dans le cadre du programme NEWAC et l’entreprise SNECMA.Le cas test est une grille annulaire de redresseur conçu pour fonctionner avec des conditions d'entrée transsoniques. Des calculs stationnaires tridimensionnels RANS sont réalisés afin de définir la plage de fonctionnement de la grille en mettant l'accent sur l'étude des topologies d’écoulement aube-a-aube afin de comprendre la formation et la progression du décollement de coin au moyeu avec des incidences d'entrée croissantes. L’aspiration est réalisée sur le moyeu par une fente afin de mieux maîtriser les décollements tridimensionnels et ainsi accroître le taux de compression et la plage de fonctionnement. L'aspiration est sensible au débit massique aspiré; de faibles débits aspirés conduisent à des topologies d’écoulements complexes avec des performances dégradées, tandis que des débits aspirés plus élevés permettent de supprimer le décollement de coin et d'améliorer la performance à l’exception du point de plus forte incidence. L'analyse des topologies montre une recirculation de l'écoulement entre la cavité d'aspiration et la veine. Ce phénomène d’écoulement tridimensionnel très complexe influe sur la performance des aubages. Ainsi l'étude des topologies permet d’orienter le choix dans l’implémentation de systèmes conduisant à une meilleure maîtrise des écoulements.Cette stratégie d’aspiration est étudiée expérimentalement à l'EPFL où l'aspiration a été mise en œuvre au moyeu. Une nouvelle série d'études numériques réalisées avec les conditions d'entrée mesurées sur le banc d’essais associées à des hypothèses de calcul conduisent à une assez bonne concordance entre les mesures d’essais et la simulation numérique. En particulier, le décollement de coin est bien prédit par les calculs numériques.Des études théoriques ont été menées afin d’appliquer l'aspiration sur le profil de la pale et ainsi améliorer la capacité de diffusion des pales. Des études de sensibilité ont été réalisées sur divers paramètres tels que le positionnement des fentes d’aspiration et le débit aspiré qui ont conduit au choix d’une configuration finale retenue pour les essais. Des études réalisées avec de multiples et plus petites fentes d’aspiration sur le profil de la pale montrent le bien fondé de l'application d’un contrôle d’écoulement localisé sur les points critiques associés à des décollements. Ceci montre l’enjeu d'atteindre des niveaux de performance supérieurs avec des débits aspirés plus faibles.

The performance of the compression system of a gas turbine engine is limited for a large part by the three-dimensional separations occurring in the high pressure compressors. The effects of flow separation are more important in the endwall regions where the fluid tends to decelerate and accumulate in regions of low momentum. The theme of this research work is to implement boundary layer aspiration to control flow separations in high pressure compressors. This is achieved by implementing aspiration devices on the endwall and blade profile to judiciously remove low energy fluid in the boundary layers that enables higher pressure rise per stage. This thesis is a joint scientific work associating Ecole Centrale de Lyon (ECL), Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) and ONERA. The European Commission under the frame of the programme NEWAC and the enterprise SNECMA has financed this research work. The test case is a stator blade row designed to operate with transonic inlet conditions. Three-dimensionalsteady state RANS computational studies are done to define the operating range of the cascade with emphasis on the study of blade-to-blade flow topologies to understand the formation and progression of the corner separation on the hub wall with increasing inlet incidences. Boundary layer aspiration is implemented on the hub wall to control the threedimensional flow separations to improve the pressure rise and the operating range. The aspiration strategy is sensitive to the aspirated massflow; lower aspirated flow rate results incomplex flow separation topologies with deteriorated performance, while higher aspirated flow rate is found to suppress the corner separation and improve the diffusion capability except at the highest incidence point. The analysis of flow topologies shows the recirculation of flow between the aspiration cavity and the blade passage; a highly complex three-dimensionalflow phenomena that influences the blade performance. The study of flow topologies is instrumental in developing rationales for the implementation of flow control.This aspiration strategy is studied experimentally at EPFL where aspiration has been implemented on the hub wall. A new set of numerical studies done with inlet conditions measured from the test bench associated with rational hypothesis concludes this task with reasonable agreement between the experiments and numerical simulation. In particular, the hub corner separation is predicted well by CFD.Computational studies are done to implement aspiration on the blade profile to improve the diffusion capability of the blades; various sensitivity parameters such as aspiration slot locations, aspirated flow rate are studied and a configuration is finalised for the experiments to be followed. Some studies are performed with smaller and multiple slots on the blade profile. The results show the merit of applying localised flow control on the critical points associated with flow separation demonstrating the scope to achieve higher levels of performance with lower aspirated flow rates.