Étude expérimentale de l'écoulement et de l'interaction entre deux rotors contrarotatifs subsoniques

Experimental study of the flow and the interaction in-between two counter-rotating subsonic axial-flow fans

¹ Laboratoire DynFluid (Arts et Métiers ParisTech -Paris)
e-mail: hussain.nouri@hotmail.fr
² Laboratoire DynFluid (Arts et Métiers ParisTech -Paris)
e-mail: florent.ravelet@ensam.eu
³ Laboratoire DynFluid (Arts et Métiers ParisTech -Paris)
e-mail: farid.bakir@ensam.eu

Résumé

Le développement de machines à forte vitesse spécifique et de taille réduite en régime subsonique suscite actuellement une forte demande dans de nombreux domaines industriels. Les machines à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles et offrent de nombreux avantages : réduction de la vitesse de rotation, de l'encombrement radial et une grande flexibilité d'utilisation. Cependant, leur utilisation dans des applications subsoniques courantes nécessite une meilleure compréhension de leur fonctionnement et notamment de l'interaction inter-rotors afin de mieux les concevoir. Ce travail a pour objectif d'étudier et de caractériser expérimentalement un étage contrarotatif fonctionnant en conduit, conçu avec le code de conception et d'analyse pour rotor et rotor-stator développé au laboratoire DynFluid, MFT auquel on a implémenté une méthode de conception simple et rapide pour dessiner le rotor aval. On analyse en particulier l'effet de la distance axiale entre les rotors et l'effet du rapport de leur vitesse. Cette étude met en évidence une nette amélioration des caractéristiques et du rendement global par rapport à une machine conventionnelle. Par ailleurs, plusieurs aspects de l'interaction entre les rotors sont mis en évidence à travers des mesures locales à proximité des rotors.

Abstract

Recently, the need for smaller axial-flow fans with high specific speeds leads to the design of counter-rotating axial fans. The design of this type of machines, which have promising aerodynamic performances, suffers from a lack of knowledge about their aerodynamics. Counter-rotating rotors, widely studied in aeronautics, are an effective alternative to conventional machines and offer many advantages: rotation ratio and diameter reduction, and high flexibility in use. However, a better understanding of their working and of the rotors interaction is required to enhance their design and to make them widely integrated in current applications. This experimental research work investigates on a ducted counter-rotating stage designed with a home code, MFT based on an inverse design method for rotors and rotor-stator stages, and to which a rapid and simple method is implemented to design the rear rotor. The study focuses on the effects of the rotation ratio and on the axial spacing between rotors. It highlights several aspects of the rotors interaction through global performance and local unsteady measurements.