Blade/casing rubbing interactions in aircraft engines: Numerical benchmark and design guidelines based on NASA rotor 37 - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Journal of Sound and Vibration Année : 2019

Blade/casing rubbing interactions in aircraft engines: Numerical benchmark and design guidelines based on NASA rotor 37

Interaction de contact aube/carter dans les moteurs d'avion: cas de référence numérique et règles de conception basés sur le rotor~37 de la NASA

Elsa Piollet
Florence Nyssen
Alain Batailly

Résumé

In order to improve the efficiency of aircraft engines, the reduction of clearances between blade tips and their surrounding casing is one avenue manufacturers consider to lower aerodynamic losses. This reduction increases the risk of blade tip/casing contact interactions under nominal operating conditions. Designers need tools to accurately predict subsequent nonlinear vibrations. Engineers and researchers have developed a variety of sophisticated numerical models to predict blades' responses. These models are related to distinct frameworks (time/frequency domain) and various solution algorithms (explicit/implicit time integration schemes, penalty/Lagrange multiplier contact treatment...) which calls for comparative analyses. However, published results are often limited for the sake of confidentiality thus preventing any detailed confrontation. While qualitative understanding can be gained from simplified academic models, full scale models are needed to predict complex interactions in a realistic manner. In this context, this paper proposes a benchmark featuring detailed simulations and analyses of a full 3D finite element model based on the open NASA rotor 37 compressor blade to facilitate reproducibility and collaboration across the research community. NASA rotor 37, a compressor stage widely used as a test case in aerodynamic simulations and validations, has the advantage of presenting a realistic blade geometry. The geometry of the blade is built from publicly available reports. The paper provides details on the geometry, the numerical model and the results to allow an easy use of this model across the fields of structural dynamics. Two contact scenarios are investigated: one with direct contact against the casing, and one with abradable material deposited on the casing to mitigate contact severity through wear. The nonlinear vibration response of the blade is simulated in the time domain. It is evidenced that the addition of the abradable material decreases the amplitude of vibration for most of the angular speeds investigated. However, new interactions appear for some angular speeds. The obtained results are consistent with previous simulations on industrial geometries. Based on works showing improved aerodynamic performances when the blade is tilted, a total of seven geometries are investigated: the reference blade, with a straight vertical stacking line similar to the original rotor 37, two forward-leaned blades, two backward-swept blades and two full forward chordwise swept blades. The sweep and lean variations are shown to have a dramatic impact on the vibration response: the backward sweep results in an increased blade's robustness to contact events and the full forward chordwise sweep in a reduced robustness, while the forward lean leads to a robustness similar to the reference blade.
La réduction des jeux aubes/carter est un des principaux axes de recherche considérés par les ingénieurs pour améliorer le rendement des dernières générations de moteurs d'avion. Un frein évident à cette réduction des jeux est lié au fait qu'elle favorise inévitablement l'apparition de contacts entre les différents composants tournants (tels que les aubes) et fixes (les carters environnants). Plusieurs défis doivent alors être relevés par les concepteurs, notamment la possibilité de prédire numériquement le comportement vibratoire des aubes à la suite de tels contacts. En l'absence d'un cadre théorique unifié pour l'analyse de systèmes mécaniques subissant des contacts structuraux, les différents motoristes ont---dans le cadre de collaborations avec différents centres de recherche---développé des outils numériques en s'appuyant sur des stratégies de résolution variées: paradigmes fréquentiel ou temporel, schémas d'intégration temporelle explicite ou implicite, traitement du contact par multiplicateurs de Lagrange ou méthode de la pénalité\dots Bien que de nombreux résultats associés à ces différents modèles aient été publiés dans la littérature, les contraintes en termes de confidentialité nuisent fortement à la reproductibilité des analyses effectuées. Dans ce contexte, cet article présente un cas test pour l'analyse de la réponse au contact d'un modèle éléments finis 3D s'appuyant sur une géométrie ouverte: l'aube rotor37 de la NASA. L'objectif est de permettre d'établir un point de comparaison pour différentes méthodes et favoriser ainsi la confrontation des méthodes existantes. L'aube rotor37 de la NASA, qui a été largement utilisée pour le développement et la validation de méthodes de résolutions de problèmes aérodynamiques, a l'avantage de disposer d'un profil réaliste, représentatif d'une aube de moteur d'avion. Pour cet article, la géométrie de l'aube est construite sur base de rapports publics disponibles en ligne. L'outil utilisé pour la construction du modèle est librement téléchargeable sur le site HAL https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02127993. Deux scénarios de contact sont considérés, avec et sans revêtement abradable sur le carter (supposé parfaitement rigide). Le comportement vibratoire de l'aube est simulé dans le domaine temporel à l'aide d'un schéma d'intégration temporel explicite. Sur base de travaux relatifs aux performances aérodynamiques de l'aube rotor37, plusieurs variantes du profil sont considérées dans le but de fournir la première étude comparative des performances combinées aérodynamiques et dynamiques en réponse au contact.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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Dates et versions

hal-02281666 , version 1 (09-09-2019)

Identifiants

Citer

Elsa Piollet, Florence Nyssen, Alain Batailly. Blade/casing rubbing interactions in aircraft engines: Numerical benchmark and design guidelines based on NASA rotor 37. Journal of Sound and Vibration, 2019, 460, pp.114878. ⟨10.1016/j.jsv.2019.114878⟩. ⟨hal-02281666⟩

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