Rotor-stator interaction scenarios for the centrifugal compressor of a helicopter engine

Scénarios d'interaction rotor/stator pour un compresseur haute pression d'un moteur d'hélicoptère

Alain Batailly (1) , Markus B. Meingast (1) , Mathias Legrand (1) , Jean-Philippe Ousty (2)

1 Structural Dynamics and Vibration Laboratory [Montréal]
2 Turbomeca

The present paper deals with interaction phenomena that may arise in the centrifugal compressor of helicopter engines when structural contacts occur between the blade-tips and the surrounding casing. Those phenomena may lead to increased levels of vibration and are currently under investigation for axial compressors of aircraft engines for which blade failures were observed. The growing understanding of these phenomena allows for more challenging numerical simulations with increased geometrical complexity such as centrifugal compressors. The simulation of blade-tip/casing contacts is carried out based on an existing strategy previously introduced by the authors. An ovalized casing is considered and two contact configurations are investigated: (1) a single blade impacts the casing and (2) contact may occur on any blade of the cyclic assembly. Based on these two contact scenarios, an in-depth analysis is performed through both time and space Fourier transforms. Results highlight the plausibility of blade/casing interaction phenomena similar to those observed in axial compressors since interactions are detected with localized vibration levels on a single impacting blade. When contact is treated on all the blades of the centrifugal compressor, the witnessed interactions feature a higher degree of complexity and usual criteria become insufficient to predict interaction speeds as well as the location of significant peaks of vibration in the frequency domain.

Cette étude porte sur les phénomènes d'interaction pouvant apparaître au niveau du compresseur centrifuge de moteurs d'hélicoptères lorsque des contacts se produisent entre les sommets d'aubes et le carter environnant. De tels phénomènes peuvent engendrer de hauts niveaux de vibrations et sont présentement étudiés pour les compresseurs axiaux de moteurs d'avions pour lesquels des ruptures d'aubes ont été observées expérimentalement. Les avancées récentes ont permis d'améliorer la compréhension des phénomènes et ainsi d'envisager des simulations numériques sur des géomètries plus complexes telles que celles des compresseurs centrifuges. La simulation de contacts aube/carter est effectuée à partir d'une stratégie déjà présentée dans la littérature. Un carter ovalisé est utilisé et deux configurations de contact sont étudiées: (1) seule une aube peut entrer en contact avec ce carter et (2) toutes les aubes peuvent entrer en contact avec le carter. Pour chaque scénario, les résultats obtenus sont analysés dans les espaces temporel et fréquentiel. La plausibilité d'un scénario d'interaction n'impliquant qu'une seule aube, sur le modèle de ce qui est observé pour les compresseurs axiaux, est mise en évidence. Lorsque le contact est pris en compte entre le carter et l'ensemble des aubes du compresseur, les interactions observées sont plus complexes et les critères linéaires habituellement considérés ne permettent plus de prévoir les zones d'interaction.

Mots clés: contact; rotor/stator interaction

Domaines: Mécanique des structures [physics.class-ph]; Mécanique des structures [physics.class-ph]

Alain Batailly, Markus B. Meingast, Mathias Legrand, Jean-Philippe Ousty. Rotor-stator interaction scenarios for the centrifugal compressor of a helicopter engine. ASME IDETC Conference, Aug 2013, Portland, United States. pp.IDETC-12211, ⟨10.1115/DETC2013-12211⟩. ⟨hal-00851396⟩