Numerical analysis of the coupling mechanisms between blade/disk friction and blade-tip/casing contacts on the state-of-the-art ECL5/Catana fan stage
Analyse numérique des mécanismes de couplages entre le frottement aube/disque et le contact aube/carter sur un étage de soufflante de dernière génération ECL5/Catana
Résumé
For the first time, the interaction between two contact nonlinearities, blade-tip/casing contact and blade/disk friction, is investigated simultaneously. This contribution addresses the associated complex coupling mechanisms on the state-of-theart industrial fan stage ECL5/Catana open test case. Both contact interfaces are accounted for in nonlinear calculations using the harmonic balance method. First, a static analysis is performed to investigate the coupling mechanism between the friction coefficient and the static blade-tip gap. Then, the dynamics response of the blade is analyzed in forced response for two reference configurations: (1) with blade-tip/casing contacts only and (2) with blade/disk friction only. Particular attention is paid to the contact kinematics of both interfaces and the vibrational motion of the blade. The forced responses are analyzed using different local indicators of the contact interfaces. As the friction coefficient is usually uncertain, the robustness of the numerical strategy is then demonstrated by performing a large number of simulations on different root friction coefficients. In the end, even more computations are performed, as a part of sensitivity studies on first order parameters, in order to map out the different relevant quantities of both interfaces: number of contacting nodes at the tip, tip contact resultant force, energy dissipation. These large scale mappings allow to identify trends and inter-dependences between the kinematics of each interface. The originality of this paper lies in the thorough analysis of this seldom studied nonlinear interaction, that is crucially important for the design of safe and efficient aircraft engines. This work demonstrates that accounting for the blade/disk friction interface in numerical simulations strongly mitigates the dynamics of the blade-tip/casing contacts and can even prevent it for a specific range of friction coefficients.
Pour la première fois, l'interaction entre deux non-linéarités de contact, le contact aube/carter et le frottement aube/disque, est étudiée simultanément. Cette contribution aborde les mécanismes de couplage complexes associés sur l'étage de soufflante industriel de dernière génération ECL5/Catana, un cas test ouvert. Les deux interfaces de contact sont prises en compte dans les calculs non linéaires à l'aide de la méthode de l'équilibrage harmonique. Tout d'abord, une analyse statique est réalisée pour étudier le mécanisme de couplage entre le coefficient de frottement en pied de pale et le jeu statique entre la tête de pale et le carter. Ensuite, la réponse dynamique de la pale est analysée en réponse forcée pour deux configurations de référence : (1) avec des contacts entre la tête de pale et le carter uniquement et (2) avec un frottement entre la pale et le disque uniquement. Une attention particulière est accordée à la cinématique de contact des deux interfaces et au mouvement vibratoire de la pale. Les réponses forcées sont analysées à l'aide de différents indicateurs locaux des interfaces de contact. Le coefficient de frottement étant généralement incertain, la robustesse de la stratégie numérique est ensuite démontrée en effectuant un grand nombre de simulations avec différents coefficients de frottement au pied de pale. Enfin, d'autres calculs sont effectués, dans le cadre d'études de sensibilité sur les paramètres de premier ordre, afin de cartographier les différentes quantités pertinentes des deux interfaces : nombre de points de contact au sommet d'aube, force résultante de contact au sommet d'aube et dissipation d'énergie. Ces cartographies à grande échelle permettent d'identifier les tendances et les interdépendances entre les cinématiques de chaque interface. L'originalité de cet article réside dans l'analyse approfondie de cette interaction non linéaire rarement étudiée, qui est d'une importance cruciale pour la conception de moteurs aéronautiques sûrs et efficaces. Ce travail démontre que la prise en compte de l'interface de frottement aube/disque dans les simulations numériques atténue fortement la sévérité des contacts entre l'extrémité de l'aube et le carter et peut même l'empêcher pour une gamme spécifique de coefficients de frottement.
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