Blackbox Optimization for Aircraft Engine Blades With Contact Interfaces

Optimisation boîte noire d'aubes de moteur d'avion avec des interfaces de contact

Julien Lainé (1) , Elsa Piollet (1) , Florence Nyssen (1) , Alain Batailly (1)

1 LAVA - Laboratoire d'Analyse Vibratoire et Acoustique

In modern aircraft engines, reduced operating clearances between rotating blade tips and the surrounding casing increase the risk of blade/casing structural contacts, which may lead to high blade vibration levels. Therefore, structural contacts must now be accounted for as early as in the engine design stage. As the vibrations resulting from contact are intrinsically nonlinear, direct optimization of blade shapes based on vibration simulation is not realistic in an industrial context. A recent study on a blade featuring significantly lower vibration levels following contact event identified a potential criterion to estimate a blade sensitivity to contact interactions. This criterion is based on the notion of dynamic clearance, a quantity describing the evolution of the blade/casing clearance as the blade vibrates along one of its free-vibration modes. This paper presents an optimization procedure which minimizes the dynamic clearance as a first step toward the integration of structural criteria in blade design. A dedicated blade geometry parameterization is introduced to allow for an efficient optimization of the blade shape. The optimization procedure is applied to the three-dimensional properties of two different blades. In both cases, initial and optimized blades are compared by means of an in-house numerical tool dedicated to the simulation of structural contact events with a surrounding casing. The simulations focus on rubbing phenomena, involving the vibration of a single blade. Simulation results show a significant reduction of vibration levels following contact interactions for the optimized blades. Critical speeds related to the mode on which the dynamic clearance is computed are successfully eliminated by the blade shape optimization. For the investigated blade geometries, backward sweep and backward lean angles are associated with reduced contact interactions compared to forward sweep and forward lean angles.

Dans les moteurs d'avions récents, la réduction des jeux entre l'extrémité des aubes en rotation et le carter environnant augmente le risque de contacts structurels entre les aubes et le carter, ce qui peut conduire à de hauts niveaux de vibrations. Les contacts structurels doivent donc désormais être pris en compte dès la conception du moteur. Comme les vibrations générées par un contact sont intrinsèquement non-linéaires, une optimisation directe de la géométrie des aubes basée sur une simulation vibratoire n'est pas réaliste dans un contexte industriel. L'étude récente d'une aube présentant des niveaux de vibration significativement réduits après une interaction de contact a permis d'identifier un critère possible pour estimer la criticité d'une aube par rapport aux interactions de contact. Ce critère est basé sur la notion de jeu dynamique, une quantité qui décrit l'évolution du jeu aube/carter lorsque l'aube vibre selon l'un de ses modes propres. Ce papier présente une procédure d'optimisation qui minimise le jeu dynamique, et qui représente une première étape vers l'intégration de critères structurels dans la conception d'aubes. Une paramétrisation de l'aube est introduite pour permettre l'optimisation efficace de la géométrie de l'aube. La procédure d'optimisation est appliquée aux propriétés tridimentionnelles de deux aubes différentes. Dans les deux cas, les aubes initiales et optimisées sont comparées à l'aide d'un outil numérique interne dédié à la simulation de contacts avec le carter environnant. Les simulations se concentrent sur le phénomène de frottement aube/carter (rubbing) qui implique la vibration d'une seule aube. Les résultats de simulation montrent une réduction significative des niveaux de vibration suite à une interaction de contact pour les aubes optimisées. Les vitesses critiques associées au mode pour lequel le jeu dynamique est calculé sont éliminées avec succès par l'optimisation de l'aube. Pour les géométries d'aube étudiées, un angle de flèche vers l'aval et un angle d'inclinaison contre le sens de rotation sont associés à des interactions de contact réduites par rapport à un angle de flèche vers l'amont et un angle d'inclinaison dans le sens de rotation.

Mots clés: rotor/stator interaction; blackbox optimization; blade design; nonlinear dynamics; dynamic clearance

Domaines: Vibrations [physics.class-ph]; Génie mécanique [physics.class-ph]; Mécanique des structures [physics.class-ph]; Optimisation et contrôle [math.OC]

Julien Lainé, Elsa Piollet, Florence Nyssen, Alain Batailly. Blackbox Optimization for Aircraft Engine Blades With Contact Interfaces. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2019, 141 (6), pp.061016. ⟨10.1115/1.4042808⟩. ⟨hal-02059582v2⟩