Redesign of a High-Pressure Compressor Blade Accounting for Nonlinear Structural Interactions
Nouvelle conception d'une aube de compresseur haute-pression en prenant en compte des interactions structurelles non-linéaires
Résumé
Recent numerical developments dedicated to the simulation of rotor/stator interaction involving direct structural contacts have been integrated within the Snecma industrial environment. This paper presents the first attempt to benefit from these developments and account for structural blade/casing contacts at the design stage of a high-pressure compressor blade. The blade of interest underwent structural divergence after blade/abradable coating contact occurrences on a rig test. The design improvements were carried out in several steps with significant modifications of the blade stacking law while maintaining aerodynamic performance of the original blade design. After a brief presentation of the proposed design strategy, basic concepts associated with the design variations are recalled. The iterated profiles are then numerically investigated and compared with respect to key structural criteria such as: (1) their mass, (2) the residual stresses stemming from centrifugal stiffening, (3) the vibratory level under aerodynamic forced response and (4) the vibratory levels when unilateral contact occurs. Significant improvements of the final blade design are found: the need for an early integration of nonlinear structural interactions criteria in the design stage of modern aircraft engines components is highlighted.
De récents travaux dédiés à la simulation du contact aube/carter en configuration non-accidentelle ont été intégrés dans l'environnement industriel de l'entreprise Snecma. Cet article présente la première tentative d'application de ces développements numériques pour prendre en compte des contacts structurels dans le processus de conception d'une aube de compresseur haute-pression. Un comportement vibratoire divergent a été mis en évidence pour l'aube étudiée à la suite de contacts aube/carter simulés sur un banc d'essai. Les améliorations de conception ont été faites en plusieurs étapes en modifiant significativement la loi d'empilage du profil d'aube tout en maintenant des performances aérodynamiques inchangées. Dans une première partie, la stratégie de conception est brièvement détaillée puis les concepts clés associés à l'évolution du profil d'aube sont détaillés. Les profils itérés font l'objet de plusieurs types de simulations numériques et les résultats obtenus sont confrontés à ceux du profil initial en se focalisant sur: (1) la masse, (2) les contraintes résiduelles associées au raidissement centrifuge, (3) le niveau de la réponse vibratoire du profil sous chargement aérodynamique et (4) les amplitudes vibratoires prédites lorsque des contacts aube/carter se produisent. Des améliorations nettes sont observées pour le profil optimisé et cet article souligne le besoin pour une intégration de critères de conception associées aux interactions structurelles non-linéaires dès la phase de conception des aubes.
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