Developement of a reduced-order model of a non-uniform distortion screen and re-staggered inlet guide vane

The demand for lower aircraft emissions is driving the development of advanced propulsion technologies such as Short-Nacelle High-Bypass (SNHB) turbofans, Boundary Layer Ingestion (BLI) engines and open rotor architectures. Unlike conventional engines, where inlet distortion arises only in off-design or transient regimes, these configurations operate continuously under highly distorted inflow, posing critical challenges for engine stability. The low-pressure compressor (booster) is particularly sensitive to inlet distortion, which can compromise engine operability and motivates effective mitigation strategies. A promising approach is the optimized scheduling of the inlet guide vanes (IGV), non-uniformly re-staggered across the annulus to restore the rotor incidence. This problem was investigated experimentally, prior to this work, at the von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), through a campaign on the R4 high-speed compressor test rig. A low pressure compressor 1.5-stage was tested on the test rig, where a realistic total pressure distortion was reproduced by a distortion screen upstream of the IGV row. This campaign, which constitutes the starting point of the present study, showed a significant performance degradation under distorted inflow, induced by high rotor incidence, which increases profile and secondary losses. The final objective of this work is to propose an effective design strategy for a non-uniform stagger of the IGV that promotes the recovery of the compressor performance under distorted inlet conditions, based on a comprehensive understanding of the flow redistribution through the distortion screen. A low-order model is developed to predict the redistribution across one or multiple non-uniform screens in series, accounting for their coupled effects as a function of the axial distance; the approach is then extended to a non-uniformly re-staggered IGV row and validated against dedicated two-dimensional and 2.5D CFD simulations of the combined configuration. The results demonstrate the capability of the model to capture the interaction between inlet distortion and IGV scheduling, providing a tool to design distortion screens that achieve a desired pattern, predict rotor operating conditions, and provide optimized IGV re-staggering strategies. This transition requires a comprehensive understanding of the impact of inlet distortion on engine performance and stability, with the aim of developing effective mitigation strategies. The low-pressure compressor (booster) is particularly sensitive to inlet distortion, potentially compromising overall engine operability. One promising approach to mitigate these effects is the optimized scheduling of inlet guide vanes (IGV), which can be non-uniformly re-staggered across the annulus to improve rotor incidence. In the context of an experimental campaign, a specific distortion pattern is achieved through a distortion screen. In order to successfully mitigate the distortion effects, it is crucial to fully understand the flow redistribution mechanism through a non uniform distortion screen and a non uniformly re staggered IGV row. In the present work a model has been developed to predict the flow redistribution across one or multiple non uniform distortion screens in series, accounting for the coupled effects of the two components, as a function of the axial distance. This approach has then been extended to model a non uniformly staggered IGV row. The model has been validated against CFD simulations of the combined configuration. The results demonstrate the capability of the proposed model to capture the interaction between inlet distortion and IGV scheduling, providing a tool for designing distortion screens that achieve the desired distortion pattern, predicting rotor operating conditions and designing optimized IGV re-staggering patterns.

La richiesta di ridurre le emissioni degli aeromobili sta guidando lo sviluppo di tecnologie propulsive avanzate, quali i turbofan Short-Nacelle High-Bypass (SNHB), i motori Boundary Layer Ingestion (BLI) e le architetture open rotor. A differenza dei motori convenzionali, in cui la distorsione all'ingresso compare solo in operazioni off-design o nei transitori, queste configurazioni operano continuativamente in flusso fortemente distorto, con sfide critiche per la stabilità del motore. Il compressore di bassa pressione (booster) è particolarmente sensibile alla distorsione all'ingresso, che può comprometterne l'operabilità e motiva efficaci strategie di mitigazione. Un approccio promettente è la regolazione ottimizzata delle inlet guide vanes (IGV), ricalettate in modo non uniforme lungo la circonferenza per ripristinare l'incidenza sul rotore. Tale problema è stato studiato sperimentalmente presso il von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI), testando un compressore di bassa pressione a 1.5 stadi sul banco prova ad alta velocità R4, con una distorsione di pressione totale realistica riprodotta da uno schermo a monte della schiera di IGV. Questa campagna, punto di partenza del presente studio, ha evidenziato una significativa degradazione delle prestazioni in flusso distorto, indotta dall'elevata incidenza sul rotore, che incrementa le perdite di profilo e secondarie. L'obiettivo della tesi è proporre un'efficace strategia di calettamento non uniforme delle IGV per il recupero delle prestazioni in ingresso distorto, basata su una comprensione approfondita della redistribuzione del flusso attraverso lo schermo. Per raggiungere tali obiettivi è stato sviluppato un modello di ordine ridotto per predirre la redistribuzione attraverso uno o più schermi non uniformi in serie, tenendo conto dei loro effetti accoppiati in funzione della distanza assiale; l'approccio è poi esteso a una schiera di IGV ricalettata in modo non uniforme e validato con simulazioni CFD bidimensionali e 2.5D. I risultati dimostrano la capacità del modello di cogliere l'interazione tra distorsione all'ingresso e regolazione delle IGV, fornendo uno strumento per progettare schermi di distorsione che realizzino un pattern desiderato, predire le condizioni operative del rotore e proporre strategie ottimizzate di ricalettatura delle IGV. Comprendere l'impatto della distorsione in ingresso sulle prestazioni e sulla stabilità del motore è quindi fondamentale per sviluppare efficaci strategie di mitigazione. Il compressore a bassa pressione (booster) è particolarmente sensibile a tali condizioni, rischiando di compromettere l'operabilità complessiva del motore. Un approccio promettente consiste nella gestione ottimizzata delle palette direttrici in ingresso (IGV), calettate in modo non uniforme lungo l'anello per migliorare l'incidenza sul rotore. Nel contesto di una campagna sperimentale, uno specifico schema di distorsione viene ottenuto tramite una griglia di distorsione. Per mitigarne efficacemente gli effetti, è fondamentale comprendere il meccanismo di ridistribuzione del flusso attraverso una griglia non uniforme e una schiera di IGV calettate in modo non uniforme. Nel presente lavoro è stato sviluppato un modello per prevedere la ridistribuzione del flusso attraverso una o più griglie di distorsione non uniformi in serie, tenendo conto degli effetti accoppiati dei componenti in funzione della distanza assiale, esteso poi per modellare una schiera di IGV non uniformemente calettate. Il modello è stato validato mediante simulazioni CFD della configurazione combinata. I risultati dimostrano la capacità del modello di catturare l'interazione tra distorsione in ingresso e gestione delle IGV, fornendo uno strumento per progettare griglie di distorsione che raggiungano il profilo desiderato, prevedere le condizioni operative del rotore e sviluppare pattern ottimizzati di calettamento non uniforme dell'IGV.