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 machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant 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 pour 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, 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. Il 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 constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales.

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 machins à rotors contrarotatifs largement étudiées en aéronautique constituent une alternative efficace aux machines conventionnelles offrant 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 pour 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, 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. Il 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 constatés à travers des mesures locales à proximité des rotors. Le présent mémoire s'articule autour de quatre parties : conception d'un étage rotor-stator et d'un étage contrarotatif ; conception du dispositif expérimental normalisé, AERO²FANS pour les mesures de performances globales et locales instationnaires ; caractérisation et comparaison des deux étages et validation de la conception de MFT; enfin, étude des effets de la distance axiale et du rapport des vitesses sur les performances globales et locales. / Recently, the need for smaller axial fans with high specific speeds lead to the design of counter-rotating axial fans. The design of this kind 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. This dissertation is organized in four parts: rotor-stator and rotor-rotor stages design; design of the experimental facility, AERO²FANS allowing global performance and local unsteady measurements; comparison between the two stages and design validation; investigation on the effects of the rotation ratio and the axial spacing on the global and the local performances.

RESUME : Les machines axiales à rotors contrarotatifs subsoniques sont une bonne solution pour les industries où de fortes élévations de pressions et d'efficacités sont nécessaires sans augmenter le diamètre ou la vitesse de rotation des rotors. Néanmoins, le comportement des CRS et les paramètres impactant ses performances ne sont pas encore totalement compris. Cette thèse mène une investigation expérimentale sur la performance et les paramètres influents sur un étage contrarotatif. La technique de design et les méthodes de mesure sont repris sur une thèse précédente réalisée au laboratoire Dynfluid (Arts et métiers ParisTech). Trois étages contrarotatifs ont été fabriqués (JW1, JW2 et JW3) et testés sur le banc d'essai normalisé AERO2FANS. Ces machines ont été conçues pour avoir le même point de fonctionnement mais avec une répartition de charge différente. Les résultats expérimentaux se concentrent dans un premier temps sur JW1. Les grandeurs physiques regardées sont l'efficacité globale et l'élévation de pression statique pour juger de la performance globale de la machine. La fluctuation de pression pariétale et le champ de vitesse sont aussi mesurés. L'impact du changement de rapport de vitesse ou la distance entre les deux rotors sur la machine JW1 a été étudiée grâce aux grandeurs physiques décrits précédemment. Enfin dans une dernière partie, les trois machines sont comparées toujours grâce aux grandeurs physiques définies précédemment. / ABSTRACT : The counter rotating subsonic axial flow fans could be a good solution for applications where the highly improved static pressure and efficiency are required without the increase of rotational speed and fan diameter. However, the mechanisms of high performance CRS and parameters influences are not well understood nowadays. This thesis is an experimental investigation of the performance and parameter studies of two counter rotatingaxial flow ducted fans. The design and measurement methods are based on the previous research work in Laboratory Dynfluid (Arts et Métiers ParisTech). Three Counter Rotating Stages (CRS) (named JW1, JW2 and JW3) are developed and tested on a normalized test bench (AERO2FANS). These systems have same design point and differ by the distribution of loading as well as the ratio of angular velocity between the Front Rotor (FR) and Rear Rotor (RR). The first part of results focus on the JW1. The overall performance is obtained by the experimental results of the static pressure rise and static efficiency, as well as the wall pressure fluctuations recorded by a microphone on the casing wall. The parameter study is conducted to investigate the effects of the axial distance and the ratio of angular velocity between the FR and RR on the global performance and flow fields measured by Laser Doppler Velocimetry (LDV).The last part of the work is devoted to analyze the differences of the three CRS with different distribution of work, in terms of the global performance and flow features.