Two-dimensional modeling of shaft precessional motions induced by blade/casing unilateral contact in aircraft engines
Modélisation planaire des mouvements de tournoiement dans les moteurs d’avion induits par des contacts directs aube/carter
Résumé
In the present work, the focus is made on the occurrence of precessional motions of the shaft---whirling motions---in bladed-disk assemblies, initiated by direct blade/casing contacts in one stage of an aircraft engine. These contact events are favored by increasingly reduced blade-tip clearances and are expected to occur during standard operating conditions. However, it has been shown that potentially harmful interactions may arise and threaten the engine structural integrity. A 2D in-plane model of an aircraft engine fan stage is built with a set of curved beams for the casing and an assembly straight beams for the bladed-disk. The flexibility of the shaft is reflected by two linear springs attached to the center node of the disk. Contact is initiated through a prescribed casing distortion and the two structures are then left free to interact. Equations of motion are solved via explicit time-marching and contact forces are computed with Lagrange multipliers method allowing to fully satisfy non-penetration conditions. Friction is accounted for through a Coulomb law and permanent sliding is assumed. Three types of regimes are identified, namely: (1) damped, (2) sustained, (3) divergent, and both forward and backward shaft precessional motions are witnessed. It is shown that the vibratory response of the bladed-disk mainly lies on the first nodal diameter of the first family of modes regardless of the rotational velocity or the type of regime detected. The risk of failure arising from these contact events is highlighted, in particular in the presence of forward whirl, and the need for accurate predictive tools in early design phases of the engine is emphasized.
Cette étude concerne l'apparition de mouvements de précession de l'arbre d'une roue aubagée d'un moteur d'avion --- mouvements dits de tournoiement --- qui sont initiés par des contacts directs entre sommets d'aubes et carter environnant. Ces événements de contact sont favorisés par des jeux fonctionnels de plus en plus réduits et sont considerés comme acceptables lors des conditions normales d'exploitation du moteur. Cependant, il a été montré par des études numériques et expérimentales que des interactions potentiellement dangereuses peuvent survenir et ainsi menacer son intégrité structurelle. Un modèle planaire de l'étage de la soufflante est construit à l'aide d'un ensemble de poutres courbes pour le carter et d'un ensemble de poutres droites pour la roue aubagée. La flexibilité de l'arbre est traduite par deux ressorts linéaires attachés au nœud central du disque. Le contact est initié par une distorsion du carter prescrite au début de la simulation et les deux structures sont ensuite laissées libres d'interagir. Les équations du mouvement sont résolues par un algorithme d'intégration temporelle explicite (différences finies centrées) et les efforts de contact sont calculés avec des multiplicateurs de Lagrange, méthode permettant de satisfaire pleinement les conditions de non-pénétration. Le frottement est représenté par une loi de Coulomb classique et, du fait des vitesses importantes en sommets d'aubes, le glissement permanent est supposé lors des phases de contact. Sur l'ensemble de la plage de vitesses de fonctionnement, trois types de régimes sont identifiés: (1) amortis, (2) soutenus et (3) divergents, où des mouvements de précession de l'arbre tant directes que retrogrades sont observés. Il est montré que la réponse vibratoire de la roue aubagées réside principalement sur le premier diamètre nodal de la première famille de modes, et ce, quelle que soit la vitesse de rotation ou le type de régime détecté. Le risque de défaillance résultant de ces événements de contact est mis en évidence, en particulier en présence de tournoiement direct, et le besoin d'outils prédictifs précis dans les phases préliminaires de conception du moteur est souligné.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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