Thermo-Mechanical Modeling of Abradable Coating Wear in Aircraft Engines
Modélisation thermo-mécanique de l’usure du revêtement abradable dans les moteurs d’avion
Résumé
In modern turbomachine designs, the nominal clearances between rotating bladed-disks and their surrounding casing are reduced to improve aerodynamic performances of the engine. This clearance reduction increases the risk of contacts between components and may lead to hazardous interaction phenomena. A common technical solution to mitigate such interactions consists in the deposition of an abradable coating along the casing inner surface. This enhances the engine efficiency while ensuring operational safety. However, contact interactions between blade-tips and an abradable layer may yield unexpected wear removal phenomena. The aim of this work is to investigate the numerical modeling of thermal effects within the abradable layer during contact interactions and compare it with experimental data. A dedicated thermal finite element mesh is employed. At each time step, a weak thermo-mechanical coupling is assumed: thermal effects affect the mechanics of the system, but the mechanical deformation of the elements has no effect on temperatures. Weak coupling is well appropriated in the case of rapid dynamics using small time step and explicit resolution schemes. Moreover, only heat transfer by conduction is considered in this work. To reduce computational times, a coarser spatial discretization is used for the thermal mesh comparing to the mechanical one. The time step used to compute the temperature evolution is larger than the one used for the mechanical iterations since the time constant of thermal effect is larger than contact events. The proposed numerical modeling strategy is applied on an industrial blade to analyze the impact of thermal effects on the blade's dynamics.
Dans les conceptions des turbomachines modernes, les jeux nominaux entre les disques aubagés tournants et le carter environnant sont réduits pour améliorer les performances aérodynamiques du moteur. Cette réduction des jeux augmente le risque de contacts entre les composants et peut meneràmenerà des phénomènes d'interaction dangereux. Une solution technique usuelle pour atténuer ces interactions consiste dans le dépôt d'un revêtement abradable sur la surface intérieure du carter. Cela améliore l'efficacité du moteur tout en assurant la sécurité en fonctionnement. Cependant, les interactions de contact entre le bout d'aube et le revêtement abradable peuvent meneràmener`menerà un phénomène d'usure imprévu. Le but de ce travail est d'investiguer la modélisation numérique des effets thermiques dans le revêtement abradable lors d'interactions de contact et de la comparer avec des données expérimentales. Un maillagé eléments finis dédié est utilisé. ` A chaque pas de temps, un couplage thermo-mécanique faible est supposé : les effets thermiques affectent la mécanique du système, mais la déformation mécanique des éléments n'a pas d'effet sur la température. Un couplage faible est approprié dans le cas de dynamiques rapides utilisant des pas de temps faibles et des schémas de résolution explicites. De plus, seul un transfert de chaleur par conduction est considéré dans ce travail. Afin de réduire les temps de calcul, une discrétisation spatiale plusgrossì ere est utilisée pour le maillage thermique comparativement au maillage mécanique. Le pas de temps utilisé pour calculer l'´ evolution de température est plus grand que celui utilisé pour les itérations mécaniques car les constantes de temps des effets thermiques sont plus grandes que pour les phénomènes de contact. La stratégie de modélisation numérique proposée est appliquée sur une aube industrielle pour analyser l'impact des effets thermiques sur la dynamique d'aube.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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