Strongly Coupled Thermo-Mechanical Casing/Abradable Model for Rotor/Stator
Modèle thermo-mécanique avec couplage fort du carter et de l'abradable pour les interactions rotor/stator
Résumé
Modern turbomachine designs feature reduced nominal clearances between rotating bladed-disks and their surrounding casings in order to improve the engine efficiency. Unavoidably, clearance reduction increases the risk of contacts between static and rotating components which may yield hazardous interaction phenomena. In this context, the deposition of an abradable coating along the casing inner surface is a common way to enhance operational safety while mitigating interaction phenomena thus allowing for tighter clearances. Nonetheless, interactions leading to unexpected wear removal phenomena between a bladed-disk and a casing with abradable coating have been observed experimentally. Beside of blade damages such as cracks resulting from high amplitudes of vibration, experimental observations included very significant temperatures increase, particularly within the abradable coating, to a point that thermo-mechanical effects may not be neglected anymore. The aim of this work is to investigate the numerical modeling of thermal effects in the abradable coating and the casing due to contact interactions. In particular, the proposed model provides insight on the sensitivity of engines to contact events when the plane had reduced tarmac times between two consecutive flights. A strongly coupled thermo-mechanical model of the casing and its abradable coating is first described. A 3D cylindrical mesh is employed, it may be decomposed in two parts: (1) along the casing contact surface, a cylindrical thermal mesh is constructed to compute the temperature elevation and heat diffusion in the three directions of space within the abradable coating, and (2) the casing itself is represented by a simplified cylindrical thermo-mechanical mesh to compute both temperature elevation and the induced deformations following temperature changes. This 3D hybrid mesh is combined with a mechanical mesh of the abradable layer, dedicated to wear modeling and the computation of normal and tangential contact forces following blade/abradable coating impacts. The heat flux resulting from contact events is related to the friction forces and only heat transfer by conduction is considered in this work. In order to reduce computational times, the time integration procedure is twofold: the explicit time integration scheme featuring reduced time steps required for contact treatment is combined with a larger time step time integration scheme used for the casing thermo-mechanical model. An extensive validation procedure is carried out from a numerical standpoint, it underlines the convergence of the model with respect to time and space parameters.
Les conceptions de turbomachines modernes présentent des jeux nominaux réduits entre les disques aubagés tournants et leurs carters environnants afin d'améliorer l'efficacité du moteur. Inévitablement, la réduction des jeux augmente le risque de contacts entre les composants statiques et tournants, qui peuvent menerà des phénomènes d'interaction dangereux. Dans ce contexte, le dépôt d'un revêtement abradable sur la surface intérieure du carter est une manière usuelle d'améliorer la sécurité en fonctionnement en atténuant les phénomènes d'interaction, et donc permettant des jeux réduits. Néanmoins, des interactions entre un disque aubagé et un carter avec un revêtement abradable menantà des phénomènes d'usure inattendue ontété observées expérimentalement. Hormis les dommages d'aubes tels que les fissurations résultant de grandes amplitudes de vibration, les observations expérimentales incluent une augmentation très significative des températures, particulièrement dans le revêtement abradable,à tel point que les effets thermo-mécaniques ne pourraient plusêtre négligés. Le but de ce travail est d'investiguer la modélisation numérique des effets thermiques dans le revêtement abradable et le carter suite des interactions de contact. En particulier, le modèle proposé fournit un aperçu de la sensibilité des moteurs auxévènements de contact quand l'avion a un temps réduit sur le tarmac entre deux vols consécutifs. Un modèle thermo-mécanique fortement couplé du carter et de son revêtement abradable est premièrement décrit. Un maillage cylindrique 3D est utilisé, il peutêtre décomposé en deux parties : (1) le long de la surface du carter, un maillage thermique cylindrique est construit pour calculer l'élévation de température et la diffusion de la chaleur dans les trois directions de l'espace dans la couche abradable, et (2) le carter lui-même est représenté par un maillage thermo-mécanique simplifié cylindrique pour calculer l'élévation de température et les déformations induites suite aux changements de températures. Ce maillage 3D hybride est combiné avec un maillage mécanique du revêtement abradable, dédiéà la modélisation de l'usure et au calcul des forces de contact normales et tangentielles suite aux impacts aube/abradable. Le flux de chaleur résultant des contacts est relié aux forces de frottement, et des transferts de chaleur par conduction uniquement sont considéré dans ce travail. Pour réduire les temps de calcul, la procédure d'intégration temporelle est double : un schéma d'intégration temporelle explicite ayant des pas de temps réduits requis pour le traitement du contact est combiné avec un schéma d'intégration temporelle avec des pas de temps plus grands utilisé pour le modèle thermo-mécanique du carter. Une procédure de validation extensive est menée d'un point de vue numérique, soulignant la convergence du modèle avec les paramètres temporels et spatiaux.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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