Aerodynamic and aeroelastic investigation of a composite fan for ultra-high-bypass-ratio aircraft engines
Étude aérodynamique et aéroélastique d'une soufflante en matériaux composites pour les moteurs d'avion à très haut taux de dilution
Abstract
Modern low-speed Ultra-High Bypass Ratio (UHBR) fans operate predominantly on the flat part of the compression characteristic, have shorter intake lengths, and employ flexible, lightweight, composite blades. These changes promote the evolution of different types of instabilities with multi-physical interactions such as convective non-synchronous vibration (NSV). To enable further technological ad-vancements, experimental benchmark data on representative geometries required. Within this con-text, the European project CATANA was initiated at Ecole Centrale de Lyon. The open-test-case fan stage ECL5 was designed, following industrial guidelines, and tested experimentally on the facility ECL-B3. This thesis presents the experimental results of the CATANA project. The experimental investiga-tion of the ECL5 reference configuration shows that all design goals have been reached. The machine is operational in a wide range and aerodynamic performance at design condition is exactly coincident with the numerical prediction. In contrast, instability mechanisms are more complex than predicted by the employed numerical methods. Through application of synchronized multi-physical instrumenta-tion, the involved complex fluid-structure interaction is resolved. The analysis of the influence of in-flow conditions and geometrical and structural system symmetry allows to identify the sensitivity of aerodynamic and structural characteristics and the behavior close to the stability limit. The investiga-tion of a second rotor configuration featuring structural mistuning highlights the importance of geo-metrical blade-to-blade variations. They cause an asymmetry of the aerodynamic field at the blade tip and suppress coherently propagating aerodynamic disturbances resulting in a delayed onset of NSV. The results presented in this thesis provide a comprehensive multi-physical characterization of the ECL5 fan stage and serve as a benchmark data set for the validation of numerical simula-tions.
Les fans modernes à faible vitesse de rotation à très haut taux de dilution (Ultra-High Bypass Ratio, UHBR) opèrent principalement sur la partie plate de la caractéristique de compression, ont des lon-gueurs de l'entrée d'air plus courtes et sont constitués d'aubes en composites flexibles et légères. Ces changements favorisent l'évolution de différents types d'instabilités avec des interactions multi-physiques telles que les vibrations non-synchrones convectives (NSV). Pour permettre de nouvelles avancées technologiques, des données de référence expérimentales sur des géométries représenta-tives sont nécessaires. Dans ce contexte, le projet européen CATANA a été initié à l'Ecole Centrale de Lyon. Le fan ECL5 a été conçu comme une configuration ouverte selon les directives industrielles et testé expérimentalement sur le banc d'essai ECL-B3. Cette thèse présente les résultats expérimen-taux du projet CATANA. L'investigation expérimentale de la configuration de référence ECL5 montre que les objectifs de conception ont été atteints. La machine est opérationnelle sur une large plage de fonctionnement et les performances aérodynamiques au point de design coïncident exactement avec les prédictions numériques. En revanche, les mécanismes d'instabilité sont plus complexes que ceux prédits. Par l'application d'une instrumentation multi-physique synchronisée, l'interaction fluide-structure complexe impliquée est résolue. L'analyse de l'influence des conditions d'entrée et de la symétrie géométrique et structurel du système permet d'identifier la sensibilité des caractéristiques aérodynamiques et structurelles ainsi que du comportement près de la limite de stabilité. L'investiga-tion d'une deuxième configuration de rotor présentant un désaccordage structurel met en lumière l'importance des variations géométriques d'aube à aube. Elles provoquent une asymétrie du champ aérodynamique en tête d'aube et suppriment des perturbations aérodynamiques se propageant de manière cohérente, retardant le NSV. Les résultats présentés dans cette thèse offrent une caractéri-sation complète du fan ECL5 et servent de jeu de données de référence pour la validation des simula-tions numériques.
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