Master thesis and internship[BR]- Master's thesis : STUDY OF AN ADVANCED TANDEM BLADE DESIGN FOR INCREASING THE OPERATING RANGE OF A LOW PRESSURE COMPRESSOR[BR]- Integration internship

Abstract

In the pursuit of improving the performance of axial compressors, the present work will study several options for adjusting the final compressor stage, the Outlet Guide Vane (OGV), to varying compressor operating conditions. More specifically, the blades of the OGV, which will use a tandem configuration, shall be optimized so that the performance of the OGV is improved.

Two different strategies will be considered for the optimization. On one hand, the working range of the OGV will be maximized while keeping the losses at a reference inlet flow angle of 50º within a certain range. On the other hand, the on-design losses shall be minimized while keeping the off-design losses within a certain margin.

The key parameters that will be used to define different configurations in this project will be the relative position of the blades and their respective geometries. The performance of the obtained geometries shall be simulated across different inlet flow angles.

The meshes developed in this work shall be created using the Gmsh software package. Numerical simulations shall be performed using a RANS model with the SU2 software. Finally, the results will be post-processed and further studied using the Paraview software.

The present work is a tool intended to be coupled with the work done by Mathias Brach, and currently continued by Thibaut Dupont, who focused on optimizing the performance of the OGV for different inlet flow angles by using a variable guide vane.

Their work focused on rotating the front blade (FB) of the OGV using certain rotation points to maximize the performance of the tandem blades at different inlet flow angles. However, their work won't be implemented on this project.

The results of this work have shown that by having an axial overlap (AO) about 2\% and a percentage pitch (PP) about 93\%, as well as an optimized geometry that allows a sharp turning of the flow, can significantly reduce the pressure losses across the tandem stage while maintaining an axial exit flow and an acceptable working range.

Additionally, increasing the axial gap between the blades and reducing the percentage pitch to 85 - 90\% has successfully increased the working range, and more specifically, the upper bound of the working range. However, increasing the working range significantly has caused a substantial increment of the pressure losses and an impossibility to keep the exit flow as axial as possible.

The target outcome of this project is to serve as a starting point for the design of future OGVs.

Dans la poursuite de l'amélioration des performances des compresseurs axiaux, le présent travail étudiera plusieurs options pour ajuster le dernier étage du compresseur, l'aube directrice de sortie (OGV), aux différentes conditions de fonctionnement du compresseur. Plus spécifiquement, les aubes de l'OGV, qui utiliseront une configuration en tandem, seront optimisées afin d'améliorer les performances de l'OGV.

Deux stratégies différentes seront envisagées pour l'optimisation. D'une part, la plage de fonctionnement de l'OGV sera maximisée tout en maintenant les pertes à un angle d'écoulement d'entrée de référence de 50º dans une certaine plage. D'autre part, les pertes en régime nominal seront minimisées tout en maintenant les pertes hors régime nominal dans une certaine marge.

Les paramètres clés qui seront utilisés pour définir différentes configurations dans ce projet seront la position relative des aubes et leurs géométries respectives. Les performances des géométries obtenues seront simulées pour différents angles d'écoulement d'entrée.

Les maillages développés dans ce travail seront créés à l'aide du progiciel Gmsh. Les simulations numériques seront effectuées à l'aide d'un modèle RANS avec le logiciel SU2. Enfin, les résultats seront post-traités et étudiés plus en détail à l'aide du logiciel Paraview.

Le présent travail est un outil destiné à être couplé avec le travail réalisé par Mathias Brach, et actuellement poursuivi par Thibaut Dupont, qui s'est concentré sur l'optimisation des performances de l'OGV pour différents angles d'écoulement d'entrée en utilisant une aube directrice variable.

Leur travail s'est concentré sur la rotation de l'aube avant (FB) de l'OGV en utilisant certains points de rotation pour maximiser les performances des aubes en tandem à différents angles d'écoulement d'entrée. Cependant, leur travail ne sera pas mis en œuvre dans ce projet.

Les résultats de ce travail ont montré qu'un chevauchement axial (AO) d'environ 2 \% et un pas relatif (PP) d'environ 93 \%, ainsi qu'une géométrie optimisée permettant un virage prononcé de l'écoulement, peuvent réduire considérablement les pertes de pression à travers l'étage en tandem tout en maintenant un écoulement de sortie axial et une plage de fonctionnement acceptable.

De plus, l'augmentation de l'espace axial entre les aubes et la réduction du pas relatif à 85 - 90 \% ont permis d'augmenter la plage de fonctionnement, et plus spécifiquement, la limite supérieure de la plage de fonctionnement. Cependant, l'augmentation significative de la plage de fonctionnement a entraîné une augmentation substantielle des pertes de pression et une impossibilité de maintenir l'écoulement de sortie aussi axial que possible.

Le résultat visé de ce projet est de servir de point de départ pour la conception de futurs OGV.