Reconception d’aubes de compresseur pour l’amélioration de leur robustesse au contact - DUMAS - Dépôt Universitaire de Mémoires Après Soutenance Accéder directement au contenu
Mémoires Année : 2022

Redesign of compressor blades for improved robustness to blade-tip contact

Reconception d’aubes de compresseur pour l’amélioration de leur robustesse au contact

Résumé

Nonlinearity is a common issue when examining cause-effect relationships. Such instances require complex modelling and hypothesis to offer explanations to nonlinear events. Nonlinear properties are present in many fields in Science and Engineering (optics, mechanics, ...). Among them in aerospace engineering, the description of the contact interactions between aircraft engine blades and the associated casing is of prime importance. In this context, the study deals with the development of an original versatile open source tool based on the combination of the two computational languages (Python and C++) able to model and simulate interactions between multiple structures. On one hand, by using code_aster, the mechanical analysis allows the application of boundary conditions, creation of materials and computation of eigen-modes. On the other hand, on top of the open source aspect, the tool has been developed to be as flexible as possible to allow the addition of further modules more adapted to specific analysis. From a computational point of view, the mechanical contact has been described by using two recognized methods, namely the Lagrange Multipliers and the Penalty methods. The time integration process has been conducted by using the well known algorithm based on the Newmark schemes. To validate the code, the first test case considered corresponds to the interactions between a falling cube between two rings. All the pertinent computational and physical parameters were systematically compared and optimized. Depending on the initial conditions, different mechanical behaviours were observed. The major contribution of this work was the analysis of the contact interaction in a more complex case of a compressor blade entering in contact with its casing during rotation. The algorithm allows to compare how the dynamics of the engine is impacted. The influence of the reduction method on the obtained results clearly proved its advantages on large structures and complex finite element models. Interesting results have been observed when the response at the leading edge and at the trailing edge were compared (both in time and frequency domain). For instance, by increasing the rotation velocity, the interaction between the response and the harmonics amplified the frequency response up to a certain point where the harmonics and the response are fused together. After what the response suddenly dropped. This nonlinear behaviour retrieved thanks to the developed tool can be considered as a last validation proving its robustness.
La présence de contacts ou de frottements au niveau des interfaces non-linéaires aube/carter des turbomachines pose un défi aux ingénieurs, car cela peut générer des phénomènes vibratoires préjudiciables. Pour limiter les effets négatifs de tels phénomènes, notamment sur la durée de vie des composants, les ingénieurs ont deux axes de solutions : le développement de matériaux abradables pour amortir les contacts et la prédiction de la réponse vibratoire par des stratégies numériques prédictives. Dans ce but, un outil de reconception d’aube pouvant prendre en compte les phénomènes vibratoires non-linéaires a été développé par Solène Kojtych dans le cadre de sa thèse de doctorat à l’École Polytechnique de Montréal. Cet outil a été utilisé pour la reconception de deux aubes de la NASA, les aubes du rotor 37 et 67, afin d’améliorer leur robustesse au contact. Les analyses des résultats démontrent que la pertinence de l’utilisation de la consommation de jeu localisée comme grandeur substitut pour l’optimisation de l’interaction au contact dépend fortement de la géométrie et de la dynamique de l’aube initiale. Ce stage a donc pour objectif, la recherche d’autres géométries d’aubes de la NASA afin d’appliquer l’outil de reconception à une plus large gamme d’aube et de conclure sur la pertinence de l’utilisation de la consommation de jeu comme substitut de la robustesse au contact. De plus, ce travail sera l’occasion d’apporter quelques améliorations à cet outil de reconception. La recherche de géométries d’aubes de la NASA aboutit à quarante-et-une géométries d’aubes qui permettent la génération de quarante modèles CAO d’aubes. Pour chacune de ces aubes, une page wiki publique est rédigée contenant le modèle CAO de l’aube, son maillage et ses informations mécaniques et aérodynamiques. Ensuite, plusieurs améliorations sont apportées à l’outil de reconception, notamment sur l’interpolation des variables d’empilement et sur le choix des noeuds frontières. Enfin, les consommations de jeu et réponses dynamiques de la majorité des aubes sont obtenues afin de choisir les aubes qui subiront le processus de reconception. Les résultats sur les cinq aubes testées, les aubes des rotors 37, 67, 74A3, 38 et 55, semblent démontrer que la pertinence de l’utilisation de la consommation de jeu localisée comme grandeur substitut pour l’optimisation de l’interaction au contact dépend principalement de la consommation de jeu initiale de l'aube.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

dumas-03778356 , version 1 (15-09-2022)

Identifiants

  • HAL Id : dumas-03778356 , version 1

Citer

Antoine Lemery. Reconception d’aubes de compresseur pour l’amélioration de leur robustesse au contact. Génie mécanique [physics.class-ph]. 2022. ⟨dumas-03778356⟩
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