The fan is a critical component of civil aircraft engines, converting shaft power from the core engine into thrust. Significant advancements have been made by increasing bypass ratios, thereby improving propulsion efficiency. However, larger bypass ratios also lead to increased weight and aerodynamic resistance due to larger wetted surfaces on the engine nacelle, creating a trade-off that limits fuel consumption reduction.

An alternative approach to improving efficiency is integrating the propulsor with the fuselage, allowing the fuselage boundary layer and wake to pass through the propulsor—a concept known as Boundary Layer Ingestion (BLI). This method requires less energy to accelerate the ingested flow to generate a given amount of thrust compared to freestream propulsion. To fully harness this potential, a deeper understanding of how BLI affects fan aerodynamics and transient blade loads is essential. 

To fully realize the potential of Boundary Layer Ingestion (BLI), it is essential to understand the prerequisites for designing propulsion units that perform effectively in distorted flow. In addition to efficiency, aerodynamic stability and blade vibrations must be carefully assessed.

This research consists of four interconnected components:

·       Analysis of a of a fan designed for a BLI installation

·       Design of a test object and evaluation of experimental results to verify computational tools and assess fan performance

·       Analysis of the influence on unsteady aerodynamic loads caused by distortion at the fan inlet

·       Suggestions and analysis of improved design features 

The findings indicate that propulsion efficiency can be enhanced in the studied case. Performance was evaluated for a realistic aircraft installation under relevant flight conditions, demonstrating that stability margins can be maintained. A fan with comparable performance was designed and tested at a reduced scale, with test results validating computational tools and confirming satisfactory operation across varying conditions.

A re-designed fan blade further demonstrates the feasibility of using a radial work profile to improve propulsive efficiency by compensating for the ingested boundary layer. Additionally, important new links are identified between the acoustic properties of fan blades and the unsteady blade forces generated by disturbed inlet airflow. Key design elements, including blade count and acoustic liners, are analyzed and shown to mitigate the risk of excessive blade vibrations.

Påverkan av aerodynamiska störningar i inflödet till flygmotorer studeras för att kunna utveckla effektivare framdrivning. Reducerad energiåtgång för flygframdrivning möjliggör effektivare transporter och minskade skadliga utsläpp vid flygning och ett minskat resursutnyttjande för framställning av bränslen. Fläkten är den nyckelkomponent i den civila flygmotorn som omvandlar axeleffekt från grundmotorn till dragkraft, och stora förbättringar som skett i modern tid har uppnåtts genom att öka fläktens storlek. Emedan detta ökar motorns framdrivningsverkningsgrad ökar samtidigt vikt och aerodynamiskt motstånd från större våta ytor på motorgondolen. Motsättningen som ligger i detta begränsar hur långt man kan komma i form av reducerad bränsleförbrukning. 

Ett sätt att komma längre är att integrera motorn med flygkroppen så att flödet i flygplanskroppens gränsskikt och vakar avsiktligt fås att passera genom fläkten, på engelska ”Boundary Layer Ingestion” förkortat BLI. Mindre energi åtgår för att accelerera denna del av flödet för att generera en enhet dragkraft jämfört med att accelerera flöde i friströmmen. För att kunna realisera denna potential behöver kunskap utvecklas kring hur aerodynamiken och fläktbladens instationära belastning påverkas. 

En viktig del är att förstå förutsättningarna för att kunna konstruera framdrivningsenheter som fungerar väl i störd inloppsströmning. Utöver effektivitet behöver kunskapen om behov av aerodynamisk stabilitet och skovelvibrationer ökas. Detta forskningsarbete består av fyra sammanhängande delar:

·       Analys av en fläkt som lämpar sig för en BLI installation

·       Konstruktion av provobjekt för experimentell utvärdering av beräkningsverktyg och 

·       Analys av påverkan på icke stationära aerodynamiska laster från distorsion på 

·       Förslag till och analys av förbättrade konstruktionselement 

Resultaten visar att en förbättring i framdrivningsverkningsgrad kan uppnås i det studerade fallet. Den energimässiga fördelen med att accelerera gränsskikts- och vakströmning överstiger den negativa påverkan den störda strömningen har på fläktens verkningsgrad. Prestanda har analyserats för en realistisk flygplansinstallation i relevanta flygtillstånd, vilket påvisar att stabilitetsmarginalerna kan upprätthållas. En fläkt med liknande prestanda har konstruerats och provats i reducerad skala. Resultaten från proven har använts för att bekräfta beräkningsverktygens relevans, och för att demonstrera tillfredsställande funktion under variation av driftförhållandena. Ett nytt fläktblad ha sedan utformats för att påvisa möjligheten att vinna framdrivningsverkningsgrad genom att låta fläktens radiella arbetsfördelning kompensera för det inkommande gränsskiktet. Nya och i sammanhanget viktiga samband mellan fläktbladens akustiska egenskaper och de icke stationära skovelkrafter som uppstår på grund av den störda inloppsluften påvisats. Tillämpliga förbättringar i form av val av bladantal och användning av akustiska dämpelement analyseras och visas kunna minska risken för höga skovelvibrationer.