Analyse de la performance et de la stabilité d'un compresseur axial fonctionnant sous distorsion en entrée

Analysis of the performance and stability of an axial compressor operating under inlet flow distortion

• Auteur / Autrice : Alberto Baretter
• Direction : Antoine Dazin, Pierric Joseph
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 13/10/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet - Laboratoire de mécanique des fluides de Lille - Kampé de Fériet
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Khelladi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Dazin, Pierric Joseph, Nicolas Binder, Xavier Ottavy, Julien Marty, Melanie Voges, Olivier Roussette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Binder, Xavier Ottavy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moteurs -- Turbocompresseurs

Avions -- Turbofans

Thèses et écrits académiques

Compresseurs

Mots clés libres

Distorsion

Stabilité

Compresseur

Distorsion

Stability

Compressor

Résumé

Parmi les technologies identifiées pour réduire la consommation de fuel, une des plus prometteuses est l’ingestion de couche limite (Boundary Layer Ingestion – BLI). Cette technologie se base sur l’ingestion, par le moteur, de la couche limite se développant sur le fuselage. Plusieurs études montrent qu’une réduction de 5 à 10 % de la consommation est alors théoriquement atteinte. Cependant, la présence de distorsion de l’écoulement à l’entrée des soufflantes et des compresseurs affecte négativement la performance et la marge au pompage de ces machines. Les effets de la distorsion sur les phénomènes qui amènent la perte de performance, et particulièrement le décrochage tournant et le pompage, sont encore mal connus par les constructeurs de moteurs aéronautiques et cela est un frein à la production et à l’utilisation de moteurs BL. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet SUBLIME mené par l’ONERA et traite de différents aspects liés à la BLI. Elle a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes amenant la dégradation de la performance et de la marge au pompage des compresseurs fonctionnant sous distorsion, et de produire une base de données expérimentale. Les expériences ont été réalisées sur le compresseur axial mono-étage CME2, opéré au Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille Kampé de Fériet (LMFL). Des grilles de porosité et d’extension angulaires différentes ont été conçues pour représenter différents types de non-uniformité en entrée de machine. Des mesures de pressions statiques et totales ont permis de caractériser les modifications de performance de l’étage et des mesures de pressions instationnaires et de vitesse par Vélocimétrie par Images de particules (PIV) ont été utilisées pour étudier en détail les écoulements internes à la machine, en se concentrant sur les conditions proche de limite de stabilité de la machine.Cette étude a permis de classifier les différentes configurations en quatre régimes d’écoulement, ce qui enrichit la physique connue, issue des précédentes études. Une nouvelle échelle a été introduite, sur la base d’arguments physiques, à savoir un angle d’interaction entre le compresseur, les régions distordue et non-distordue de l’écoulement. Par ailleurs, pour chacun des régimes, une forme différente de transition vers le décrochage tournant a été identifiée, suggérant un lien fort entre la dynamique de transition vers le décrochage et la redistribution de l’écoulement à l’entrée.

Among the new technologies identified as promising for a reduction of civil airplane fuel consumption is Boundary Layer Ingestion (BLI). The technology is based on the ingestion of the fuselage boundary layer into the jet engine and different studies show that a reduction between 5% and 10% of the fuel consumption is theoretically possible. However it is known that the performance and the stall margin of fans and compressors are badly affected in the presence of inlet flow distortion (as the one created by an ingested boundary layer). The effect of the flow distorsion on the phenomena leading to the loss of performance, and especially to rotating stall and surge, are still not known in sufficient detail by engine manufacturers to allow the production and operation of BLI engines. The present work is a part of the project SUBLIME led by ONERA and dealing with different aspects of BLI. In this frame, the aim of the present study is to increase knowledge about the phenomena that degrade the performance and stall margin of compressors in distorted flows, doing so by providing an experimental dataset of measurements in an axial compressor operated under distorted flow. The experiments have been performed on the axial flow low speed compressor CME2 operated in the Laboratoire de Mécanique des Fluides de Lille Kampé de Fériet (LMFL). A number of distortion grids of different porosities and angular extensions intended to represent very different types of inlet flow nonuniformities have been designed and mounted at the inlet of the compressor to influence its performance. Total pressure and static pressure measurements have been performed to identify the loss of performance, and unsteady pressure measurements and Particle Image Velocimetry (PIV) have been used to investigate in more detail the flow features, with a focus on the stability limit of the compressor.In particular, the study provides a classification into four flow regimes of the various tested distortions, which enriches the physics previously identified in distortion studies. It provides a new scaling of the stall margin based on a physical ground, that is an angle characteristic of the interaction between the distorted and undistorted region of the flow. Moreover, associated to these four flow regimes are identified four different stall regimes, suggesting a strong link between the stalling dynamics and the flow redistribution upstream of the compressor.