Numerical investigation of the solidity effect on a linear compressor cascade performance and stability

The challenges issued to engine designers by the standard on pollutant and noise emissions, together with performance maximisation require the development of new architectures and concept as well as the consolidation and optimization of engineering tools and correlations regarding the main design parameters. In a axial flow compressor, the solidity represents the ratio of the aerodynamic chord over the pitch and it is related, then, to the blade number and to engine weight. This study, developed in the framework of a collaboration between the Von Karman Institute for Fluid Dynamics and the private company TechspaceAero, investigates the solidity effect on performance and stability of a high speed linear cascade. The main compressor correlations are considered to determine the influence of solidity on deviation, incidence and losses, together with the issue represented by the optimumcondition determination. A CFD approach is then proposed to investigate the effect of solidity through the software FINE/Turbo by NUMECA International. The mesh and the turbulence model effects are studied to setup the model. The behaviour of eight different configurations of pitch and chord is tested, allowing to assess five different solidity values and compare the effect of a decrease in chord rather than an increase in pitch. The incidence is varied fromchoke to stall,within an inletMach number range between 0.4 and 0.8. The analysis is performed with three different turbulence models, considering two different boundary condition types. As the follow up of the present work will be the experimental campaign, this study is also intended to highlight the most critical aspects of the future tests.

La riduzione delle emissioni di sostanze inquinanti e di rumore, insieme con la ricerca delle massime prestazioni sono sfide che richiedono ai progettisti di motori non solo lo sviluppo di nuove architetture e soluzioni costruttive, ma anche l’ottimizzazione degli strumenti di progettazione ed il consolidamento delle correlazioni utilizzati per determinare le scelte progettuali. In un compressore assiale la solidity rappresenta il rapporto fra la corda aerodinamica ed il passo interpalare ed è dunque legata al numero di pale e quindi al peso dello stadio. Il presente studio, sviluppato all’interno di una collaborazione fra il Von Karman Insitute for Fluid Dynamics e l’azienda privata Techspace Aero, analizza l’effetto di solidità sulle performance e sulla stabilità di una schiera piana in regime transonico. Le principali correlazioni di letteratura sono utilizzate per analizzare l’effetto della solidity su deviazione, incidenza e perdite, considerando anche alcune problematiche legate alla ricerca di una condizione di efficienza ottima. Si propone quindi un approccio numerico per l’analisi, utilizzando un modello CFD sviluppato con il software FINE/Turbo di Numeca International. Il modello è messo a punto attraverso uno studio di sensitività sulla mesh e sul modello di turbolenza. Si analizzano otto diverse configurazioni di passo e corda, che permettono di valutare 5 diversi valori di solidity e i differenti effetti di una riduzione di corda rispetto ad un aumento del passo. Il range di incidenza testato si estende dal choke allo stallo per numeri di Mach in ingresso che variano da 0.4 a 0.8. Tre diversi modelli di turbolenza sono messi a confronto, così come due diverse tipologie di condizioni al contorno. Dal momento che a valle del presente studio sarà realizzata una campagna sperimentale del modello simulato, l’analisi è volta anche a sottolineare gli aspetti critici per la messa a punto dei futuri test.