Assessment of reduced models for the detection of modal interaction through rotor stator contacts

Évaluation de modèles réduits pour la détection de cas d'interaction modale initiés par des contacts rotor stator

Alain Batailly (1, 2) , Mathias Legrand (1) , Patrice Cartraud (2) , Christophe Pierre (1)

1 Structural Dynamics and Vibration Laboratory [Montréal]
2 GeM - Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique

Interactions through direct contact between blade-tips and outer casings in modern turbomachines require complex formulations and subsequent expensive computational efforts when the classical finite element method is considered. The construction of reduced-order models through component mode synthesis techniques usually improves the computational efficiency and may be used for fast parameter studies yielding a better knowledge of the phenomena of interest. In this highly nonlinear framework, the present study is dedicated to the investigation of the capabilities of fixed- and free-interface reduction strategies to handle accurately such problems through a realistic 2D model and complements former results involving a direct modal projection with respective strong kinematic restrictions. The equations of motion are solved using an explicit time integration scheme together with the Lagrange multiplier method where friction is accounted for. The presented work discusses the notions of both displacement and motion convergences and the possibility to conduct fast parameter studies with the use of relevant reduction bases. It also shows that kinematic restrictions artificially enhance the detection of modal interactions.

Dans les turbomachines récentes, la simulation des cas d'interaction engendrés par des contacts entre le sommet des aubes et le carter environnant requiert des formulations complexes qui peuvent être coûteuses en temps de calculs lorsque la méthode des éléments finis classique est utilisée. Habituellement, le calcul de modèles réduits à l'aide de méthodes de synthèse modale permet d'optimiser les temps de simulations et ainsi envisager des études paramétriques pouvant amener une meilleure connaissance des phénomènes étudiés. Dans ce contexte hautement non-linéaire, l'étude présentée a pour but de déterminer les capacités des méthodes de synthèse modale dites à interfaces libres et interfaces fixes pour la simulation des phénomènes d'interaction sur des modèles 2D réalistes. L'objectif est également de compléter des résultats obtenus précédemment avec des méthodes de projection modale qui impliquaient de fortes restrictions cinématiques. Les équations du mouvement sont résolues l'aide d'un schéma d'intégration temporelle explicite combiné à la méthode des multiplicateurs de Lagrange; le frottement est également pris en compte. Les résultats présentés nous amènent à discuter les notions de convergence en déplacement et de convergence en mouvement ainsi que la faisabilité d''etudes paramétriques rapides avec une base de réduction pertinente. Par ailleurs, il est montré que les restrictions cinématiques favorisent artificiellement la détection de régimes d'interaction modale.

Mots clés: modal synthesis; contact mechanics; modal interaction; turbomachine

Mots clés: Interaction modale; méthode de synthèse modale; dynamique non-linéaire; dynamique du contact

Domaines: Génie mécanique [physics.class-ph]; Vibrations [physics.class-ph]

Alain Batailly, Mathias Legrand, Patrice Cartraud, Christophe Pierre. Assessment of reduced models for the detection of modal interaction through rotor stator contacts. Journal of Sound and Vibration, 2010, 329 (26), pp.5546-5562. ⟨10.1016/j.jsv.2010.07.018⟩. ⟨hal-00524762⟩