Étude architecturale et aérodynamique d’un effecteur propulsif à Mach de vol intermédiaire

Dans le contexte de la propulsion aéronautique hybride/électrique, le coût de masse lié aux moteurs [Anderson et al. 2018] impose la distribution de la propulsion sur de multiples modules propulsifs. Ces modules présentent des rotors faiblement chargés, tournant à haute vitesse, et de diamètre assez faible pour assurer un régime subsonique sur les pales. La bibliographie présentée dans cette thèse démontre que l’ajout d’une carène permettrait d’atteindre le double objectif de compacité et de diminution de la charge des rotors. La carène peut en effet servir à diminuer la charge du rotor sans augmenter le diamètre du système, à l’aide d’une géométrie spécifique appelée tuyère de Kort (convergente en entrée et divergente en sortie) [Black et al. 1968]. Les modèles simplifiés habituels de rotors carénés capturent mal le couplage aérodynamique fort entre les deux éléments (rotor et carène) [Sacks and Burnell 1959] et négligent donc l’apport de la carène aux performances du système [Pereira 2008]. Toutefois, il existe des modèles spécifiquement adaptés aux rotors carénés donnant des résultats assez précis pour le vol d’avance, avec ou sans incidence [Ohanian et al. 2012, Jardin et al. 2015]. Ces modèles restent descriptifs car contiennent des variables non fermées qui restent à déterminer à l’aide de simulations numériques. Une fermeture de ces variables est proposée dans cette thèse, afin de pouvoir utiliser ces modèles dans une approche de design. Un travail préliminaire sur la représentation des performances des rotors carénés est nécessaire afin de proposer la fermeture des modèles. En effet, le recours direct au diagramme de l’hélicier ne permet pas la mise en évidence des spécificités du rotor caréné telles la contribution de la carène aux performances du système et ses interactions avec le rotor. De manière plus générale, cela revient à remettre en question le positionnement du rotor caréné dans le continuum de classification des turbomachines [Japikse and Baines 1997], qui se situe entre les machines à écoulement interne et externe. Les rotors carénés doivent être considérés comme une famille de turbomachine à part entière telles les machines à écoulement interne et externe [Dixon and Hall 2014, Rebu_et 1969]. Une proposition sur ce dernier point est présentée dans ce manuscrit, ainsi que dans le papier Turbo Expo 2019.Une méthodologie de design des rotors carénés est développée dans cette thèse. Cette approche de design nécessite l’utilisation de divers outils numériques dans lesquels des développements spécifiques ont été implémentés : le solver d’écoulement potentiel DFDC [Drela and Youngren 2005] est associé à la suite de logiciel FINE/Turbo10.2TMde Numeca pour la simulation des effets de viscosité. A partir de cela, un banc d’essai a été entièrement développé (design, conception, fabrication, montage, instrumentation). L’instrumentation embarquée a permis la caractérisation du rotor caréné dans le nouveau champ caractéristique proposé, à travers les différentes campagnes d’essai menées (performance, écoulement interne via sonde 5-trous, écoulement externe via PIV).Les résultats numériques et expérimentaux permettent une large exploration de l’espace des paramètres du problème. Cette exploration démontre la pertinence du formalisme proposé qui permet l’analyse des contributions isolées du rotor et de la carène aux performances du système, et permet ainsi l’amélioration des modèles derotors carénés. Enfin, un traitement analytique du nouveau champ caractéristique proposé permet de prédire l’évolution des performances du système avec la variation de l’angle de calage des pales du rotor. Cette approche est par la suite généralisée aux différents types de turbomachines axiales (cf. papier ISAIF 13). In the context of the hybrid/electrical aircraft propulsion, the mass considerations [Anderson et al. 2018] favor distributed propulsion with multiple lightly loaded propulsive modules with high rotational speed and a diameter low enough to ensure subsonic operation of the rotors. The literature review proposed in this thesis demonstrates that, for a fixed thrust level, the compactness challenge associated with the loading decrease ofthe rotors is diffcult to achieve without adding a shroud. In this context, it is possible to take advantage of the shroud to decrease the rotor loading. The use of so-called Kort nozzles (convergent intake and divergent outlet nozzle) allows that [Black et al. 1968]. Applying the usual free rotor simple models to shrouded rotor fails to entirely catch the shroud input [Pereira2008] due to the strong aerodynamic coupling between the two elements (shroud and rotor) [Sacks and Burnell 1959]. However, quite accurate descriptive models exist either for forward flight [Jardin et al. 2015] or side wind operation [Ohanian et al. 2012]. But for design purposes, these shrouded rotor models must be improved from descriptive to predictive ability by proposing a closure to their unclosed variables, which is done in this thesis.In order to propose such a closure to the models, a preliminary work is required to adapt the formalism used for the representation of the performance. Actually, the straightforward usage of the free propeller operating charts conceals the specific features of the shrouded rotor operations such as the shroud input and its interactions with the rotor. From a more general point of view, it leads to reconsider the position of the shrouded rotors in the turbomachinery classification continuum [Japikse and Baines 1997], which are situated in betweenthe internal and external flow machines. Shrouded rotors should be considered as a turbomachine family itself, with its own formalism, such as internal or external families have theirs [Dixon and Hall 2014, Rebu_et 1969]. A proposition is made in the manuscript, which had also been detailed in a Turbo Expo 2019 paper. A shrouded rotor design methodology is developed. This design approach needs the integration of differentnumerical tools in which specific developements are implemented : the potential flow solver DFDC [Drela and Youngren 2005] is used along with the Numeca’s FINE/Turbo10.2TMsuite for viscous flow simulations. Based on this, an experimental test bench is completely developed from scratch. The different performed wind tunnel test campaigns (performance, internal flow 5-hole probe crossing, external flow PIV) and the embedded instrumentation allow the proper characterization of the shrouded rotor in the newly defined characteristic map. The numerical results as well as the experiments permit a large screening of the parametric space of the problem. This screening demonstrates the relevance of the proposed characteristic map and allows the analysisof the isolated contributions of both rotor and shroud, which leads to the improvement of the models dedicatedto shrouded rotors. Finally, an analytical treatment of the developed characteristic map allows predicting theevolution of the performance for different settings of the blade’s pitch angle. This approach is also extended tothe different axial turbomachines (cf. ISAIF 13 paper).