Analysis and control of the tip-leakage flow of an isolated and fixed blade
Analyse et contrôle de l'écoulement de jeu d'une aube fixe isolée
Résumé
To reduce the environmental footprint of aviation, it is essential to develop lighter and more fuel efficient turbojet engines. This can be achieved by increasing the efficiency of axial compressors and by extending their range of stable operation. The main limitations of axial compressors are caused by the flow going through the gap between the tip of rotor blades and the casing, also known as tip-leakage or tip-gap flow. This study aims at providing a detailed description of the tip-leakage flow, in order to analyze its sensitivity to design parameters and to control devices based on air injection from the casing. The setup is composed of a single blade, set orthogonal to a flat plate that plays the role of the casing wall. This simplification makes optical measurements easier and allows a fine tuning of the gap height, the incoming boundary layer thickness at the casing wall and the blade loading. The analysis is based on experiments conducted in a low-speed wind tunnel that are complemented by CFD calculations.
The tip-leakage flow is primarily driven by the gap height. The incoming boundary layer thickness and the blade loading also have a notable effect on the lateral postion of the tip-leakage vortex. The distribution of local entropy creation rate has been used to identify areas of losses in the flow. Moreover, the total pressure losses have been decomposed in two terms identified as a vortex loss and a wake loss. This vortex loss drives the increase of total pressure losses with the gap height. An empirical model has been developped to predict the evolution of the tip-leakage vortex circulation and of the total pressure losses with respect to the gap height.
A steady injection of air from the casing has been evaluated, using normal jets in the gap. With this control strategy, the tip-leakage vortex tends to be closer to the blade, which could lead to an extension of the range of stable operation for axial compressors. In addition to that, the control device smoothes out the axial vorticity field in the tip-leakage vortex, which could be interesting to reduce rotor-stator interactions. However, this control strategy leads to higher total pressure losses and is less effective with larger gaps.
Réduire l'impact environnemental de l'aviation requiert le développement de turboréacteurs plus légers et consommant moins de carburant. En particulier, cela nécessite d'augmenter le rendement des compresseurs axiaux et d'étendre leur domaine de fonctionnement stable. Les limitations des compresseurs actuels viennent essentiellement de l'écoulement traversant le jeu entre l'extrémité des aubes du rotor et le carter.
L'objectif de cette étude est donc de décrire en détail cet écoulement de jeu afin d'en évaluer la sensibilité aux paramètres de conception ainsi que la réceptivité à des dispositifs de contrôle par injection d'air au carter. Pour cela, on considère une géométrie simplifiée qui est constituée d'une aube fixe isolée, placée perpendiculairement à une plaque plane représentant le carter. Cette simplification facilite la mise en place de mesures optiques ainsi que le réglage de la taille du jeu, de l'épaisseur de la couche limite incidente au carter et du chargement de l'aube. L'analyse de cette configuration simplifiée s'appuie sur la complémentarité des mesures en soufflerie et simulations numériques.
La taille du jeu est le paramètre principal qui affecte l'écoulement de jeu. L'épaisseur de la couche limite incidente au carter et le chargement de l'aube ont également un effet visible sur la position latérale du tourbillon de jeu. Le calcul du taux de création d'entropie local a permis d'identifier plusieurs zones de pertes dans l'écoulement. Ensuite, les pertes de pression totale ont été décomposées en la somme d'un terme lié au tourbillon et d'un autre lié au déficit de vitesse longitudinale. Ce terme lié au tourbillon est responsable de l'augmentation des pertes de pression totale avec la taille du jeu. Enfin, un modèle empirique a été développé pour estimer la circulation du tourbillon de jeu ainsi que les pertes de pression totale en fonction de la taille du jeu.
Un système d'injection continue d'air dans le jeu a été évalué, les jets étant orientés perpendiculairement au carter. D'une part, cette stratégie de contrôle permet de rapprocher le tourbillon de jeu de l'aube, ce qui pourrait permettre d'augmenter le domaine de fonctionnement stable d'un compresseur. D'autre part, le champ de vorticité axiale dans le tourbillon de jeu devient plus homogène, ce qui serait intéressant pour limiter les interactions rotor-stator. Cependant cette approche tend à augmenter les pertes de pression totale et perd en efficacité avec un élargissement du jeu.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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