Multi-physics numerical simulation of an experimentally predicted rubbing event in aircraft engines

Stratégie numérique multi-physique pour la simulation de contacts rotor-stator dans les moteurs d’avion

Quentin Agrapart (1) , Florence Nyssen (1) , Déborah Lavazec (2) , Philippe Dufrenoy (3) , Alain Batailly (1)

1 EPM - École Polytechnique de Montréal
2 Safran Aircraft Engines
3 LaMcube - Laboratoire de Mécanique Multiphysique Multiéchelle

This paper provides new insight on the simulation of blade-tip/casing rubbing events within aircraft engines accounting for thermomechanical effects within the casing. A multi-physics numerical strategy is presented in order to simulate an interaction experimentally witnessed on a full-scale low-pressure compressor. Experimental data are used for an accurate representation of the blade's incursion depth within the abradable coating. This numerical strategy combines Safran's in-house tool for rotor/stator interaction simulations with a finite element based thermomechanical analysis carried out with Ansys. This work underlines the distinct contributions of both dynamical and thermomechanical phenomena in the simulated interaction. Competition between wear and thermal expansions is investigated as well as their consequences on blade dynamics. The proposed numerical strategy yields an accurate description of the interaction phenomenon as wear patterns, critical speed, amplitude growth rate of the blade vibration and temperature levels may be predicted

Dans cet article, la simulation de contacts entre une aube de moteur d’avion et son carter en vis-à-vis est abordée en tenant compte des effets thermomécaniques du stator. Une stratégie numérique multi-physique est présentée afin de simuler un scénario d’interaction sur la base d’un essai expérimental échelle un, réalisé sur un étage de compresseur basse pression. Les données expérimentales sont utilisées pour une représentation précise de la profondeur initiale d’incursion de l’aube dans le revêtement abradable. Cette stratégie numérique associe un outil métier Safran, pour la simulation d’interaction rotor-stator, à une simulation thermomécanique en éléments finis réalisée avec Ansys. Ce travail souligne les contributions respectives des phénomènes dynamiques et thermomécaniques dans le scénario d’interaction qui est simulé. La compétition entre usure du revêtement et dilatations thermiques du carter ainsi étudiée permet de porter un nouveau regard sur la dynamique de l’aube. La stratégie numérique apporte une description plus fine du phénomène d’interaction avec une prédiction réaliste des profils d’usure, de la vitesse critique, de l’augmentation de l’amplitude de vibration et des niveaux de température.

Mots clés: rotor-stator interaction; abradable coating; blade dynamics; thermomechanical simulation; thermal expansion

Mots clés: revêtement abradable; dynamique d'aube; simulation thermomécanique; dilatations thermiques; Interactions rotor/stator

Domaines: Génie mécanique [physics.class-ph]

Quentin Agrapart, Florence Nyssen, Déborah Lavazec, Philippe Dufrenoy, Alain Batailly. Multi-physics numerical simulation of an experimentally predicted rubbing event in aircraft engines. Journal of Sound and Vibration, 2019, 460, pp.114869. ⟨10.1016/j.jsv.2019.114869⟩. ⟨hal-02269517⟩