Towards the Structural Optimization of Bladed Components Featuring Contact Interfaces
Vers l'optimisation structurelle de composants aubagés avec interfaces de contact
Résumé
In order to maximize their efficiency, modern aircraft engines feature reduced nominal clearances between rotating (such as bladed disks) and static (casing) components. As a consequence, structural contacts between these components are now more likely to occur and must be accounted for as early as in the design stage of the engine. To this day, there exists no relevant criterion to discriminate contacting components, such as blades, according to their sensitivity to contact events. In a recent study, it was found that a redesigned blade, featuring significant improvements with respect to its vibratory response following structural contacts, essentially differed from the original design with respect to its clearance consumption-a quantity that characterizes the evolution of blade/casing clearance as the blade vibrates over its first free-vibration modes. From this observation, it was decided to carry out a thorough investigation on the possible relation between clearance consumption and the nonlinear vibratory response following structural contacts. This paper presents an automated structural optimization procedure of a blade design using an objective-function related to the blade's clearance consumption. Thus, optimized blades feature a lower clearance consumption. By means of an in-house numerical tool dedicated to the simulation of structural contact events with a surrounding casing, it is found that optimized blades feature lower amplitudes of vibration following contacts in comparison with the original blades. Overall, it is evidenced that the blade sensitivity to contact has been lowered as certain critical speeds vanish for the optimized profile. The current paper aims at establishing a proof-of-concept and thus only considers structural aspects. Aerodynamic considerations that are key for designing efficient blades are purposely left aside in order to focus on the feasibility of blade dynamics optimization.
Afin de maximiser leur efficacité, les moteurs d'avion récents présentent des jeux réduits entre les parties tournantes (comme les disques aubagés) et fixes (carter). Ceci augmente la fréquence des contacts aubes/carter, qui doivent être pris en compte dès la conception du moteur. À ce jour, il n'existe pas de critère pertinent qui permette de prédire si une aube sera sensible aux évements de contact. Une étude récente a montré qu'une aube présentant une sensibilité significativement réduite après reconception était particulièrement différente de l'aube initiale en termes de sa consommation de jeu -- une quantité qui caractérise l'évolution du jeu aube/carter lorsque l'aube vibre selon l'un de ses premier modes propres. À partir de cette observation, une recherche approfondie a été menée sur la possible relation entre la consommation de jeu et la réponse vibratoire suite à des contacts structurels. Ce papier présente une procédure d'optimisation structurelle automatisée pour la conception d'aubes en utilisant une fonction-objectif liée à la consommation de jeu de l'aube. Ainsi, les aubes optimisées présentent une consommation de jeu réduite. Un outil numérique interne dédié à la simulation de contacts aubes/carter permet d'observer que les aubes optimisées montrent des amplitudes de vibration réduites après contact avec le carter, par rapport aux aubes initiales. De manière générale, la sensibilité des aubes au contact est réduite: en effet, certaines vitesses critiques disparaissent pour l'aube optimisée. Le but de ce papier est de servir de preuve de concept, et seuls les aspects structurels sont donc considérés. Les aspects aérodynamiques, qui sont essentiels à la conception d'aubes efficaces, sont volontairement exclus afin de se concentrer sur la faisabilité de l'optimisation de la dynamique d'aube.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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