Unilateral contact induced blade/casing vibratory interactions in impellers: Analysis for rigid casings
Interactions générées par les contacts aubes/carter pour un rouet centrifuge: étude avec carters rigides
Résumé
This contribution addresses the vibratory analysis of unilateral-contact induced structural interactions between a bladed impeller and its surrounding rigid casing. Such assemblies can be found in helicopter or small aircraft engines for instance and the interactions of interest shall arise due to the always tighter operating clearances between the rotating and stationary components. The investigation is conducted by extending to cyclically symmetric structures an in-house time-marching based tool dedicated to unilateral contact occurrences in turbomachines. The main components of the considered impeller together with the associated assumptions and modeling principles considered in this work are detailed. Typical dynamical features of cyclically symmetric structures, such as the aliasing effect and frequency clustering are explored in this nonlinear framework by means of thorough frequency-domain analyses and harmonic trackings of the numerically predicted impeller displacements. Additional contact maps highlight the existence of critical rotational velocities at which displacements potentially reach high amplitudes due to the synchronization of the bladed assembly vibratory pattern with the shape of the rigid casing. The proposed numerical investigations are also compared to a simpler and (almost) empirical criterion: it is suggested, based on nonlinear numerical simulations with a linear reduced order model of the impeller and a rigid casing, that this criterion may miss important critical velocities emanating from the unfavorable combination of aliasing and contact-induced higher harmonics in the vibratory response of the impeller. Overall, this work suggests a way to enhance guidelines to improve the design of impellers in the context of nonlinear and nonsmooth dynamics.
Cet article a pour objet l'analyse vibratoire des interactions structurelles entre un rouet centrifuge et le carter environnant engendrées par des contacts aubes/carter. De telles structures sont notamment utilisées dans les moteurs d'hélicoptères ou les moteurs d'avion de petite taille. L'apparition de contacts entre rouet et carter est la conséquence de jeux de fonctionnement réduits qui permettent d'optimiser le rendement du moteur. L'étude présentée est une extension aux structures à symétrie cyclique d'une stratégie numérique existante et dédiée à la simulations d'interactions aube/carter dans les turbomachines aéronautiques. L'article décrit notamment les différentes parties d'un rouet ainsi que l'ensemble des hypothèses de simulation et des principes de modélisation utilisés. Les caractéristiques des structures à symétrie cyclique, comme le phénomène d'\emph{aliasing} et la haute densité fréquentielle sont présentés dans le contexte d'une analyse non-linéaire et illustrés dans les domaines fréquentiel et temporel. Des cartes de contact permettent de mettre en évidence le lieu des contacts aube/carter sur la circonfèrence de la surface de contact du carter sur toute une plage de vitesses de rotation. Ces dernières sont complétées par des spectres soulignant la variation des amplitudes de vibration en fonction de la vitesse de rotation. Les résultats des simulations numériques sont confrontés à un critère simplifié de conception; cette confrontation suggère que le critère simplifié ne permet pas de rendre compte de plusieurs zones d'interaction critiques associées à une combinaison défavorable du phénomène d'aliasing avec des super-harmoniques de la réponse vibratoire du rouet. Finalement, le travail présenté permet de proposer uen façon d'améliorer les règles de conception des rouets à l'aide de considérations de dynamique non-linéaire et non régulière.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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