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The transonic compressor with non-uniform tip clearance: Effects on aerodynamics and aeroelasticity

Jüngst, Maximilian (2019):
The transonic compressor with non-uniform tip clearance: Effects on aerodynamics and aeroelasticity.
Darmstadt, Technische Universität, [Online-Edition: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8687],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

This study experimentally investigates the aerodynamic and aeroelastic behaviour of a transonic compressor with non-uniform tip clearance. Current design trends for aero engines require more efficient compressors with high pressure ratio and reduced weight. An increased overall pressure ratio permits a downsized core engine while its power output is maintained. This increases the bypass ratio, which is crucial for engine noise and efficiency. However, a more compact core engine leads to larger relative gaps between rotor and casing, as the clearance cannot be scaled accordingly. For the same reason, casing asymmetry has become more important for future engines. On the one hand, the aim of the work is an aerodynamic analysis in the field of clearance sensitivity and thus engine deterioration. On the other hand, an analysis of the aeroelastic behaviour is carried out, since transonic compressors are used in front stages of the core engine, which tend to flow-induced vibrations at part speed. These vibrations can result in cracks or even blade failure. Stabilizing measures, such as casing treatments at the rotor tip, are common knowledge. However, their influence on blade vibration, especially of a non-uniform circumferential distribution, is largely unexplored.

The results of the work relieve aerodynamic and mechanical concerns regarding the application of axial compressors in future small core engines. The destabilizing influence of casing eccentricity is less than previously assumed, which is why the intended safety margins can potentially be reduced. With regard to flowinduced vibrations that occur in concentric casings across the entire speed range, this dissertation shows for the first time that non-uniform rotor tip clearances represent a novel approach in the field of aerodynamic mistuning. The mass flow redistribution upstream of the compressor with a non-uniform clearance causes a circumferential variation of the rotor incidence, which in turn varies the aerodynamic force on the blades circumferentially. As a result, the rotorrelative flow recovers during one turn of the rotor, which ultimately leads to a reduction of the blade vibration amplitudes.

Slight asymmetries in an engine have a stabilizing influence on blade vibrations. For the given case, e.g. an eccentric rotor clearance reduces the amplitudes of nonsynchronous vibrations by -25% of the rig operating limit, compared to a concentric casing with the same average clearance. Partial casing treatments benefit from the same effect and will hence be a powerful tool to avoid non-synchronous vibrations in the future. In contrast to a circumferentially uniform casing treatment that can amplify blade vibrations, non-uniform designs are now a smart solution for the problem of non-synchronous vibrations in front stages during off-design operation.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2019
Creators: Jüngst, Maximilian
Title: The transonic compressor with non-uniform tip clearance: Effects on aerodynamics and aeroelasticity
Language: English
Abstract:

This study experimentally investigates the aerodynamic and aeroelastic behaviour of a transonic compressor with non-uniform tip clearance. Current design trends for aero engines require more efficient compressors with high pressure ratio and reduced weight. An increased overall pressure ratio permits a downsized core engine while its power output is maintained. This increases the bypass ratio, which is crucial for engine noise and efficiency. However, a more compact core engine leads to larger relative gaps between rotor and casing, as the clearance cannot be scaled accordingly. For the same reason, casing asymmetry has become more important for future engines. On the one hand, the aim of the work is an aerodynamic analysis in the field of clearance sensitivity and thus engine deterioration. On the other hand, an analysis of the aeroelastic behaviour is carried out, since transonic compressors are used in front stages of the core engine, which tend to flow-induced vibrations at part speed. These vibrations can result in cracks or even blade failure. Stabilizing measures, such as casing treatments at the rotor tip, are common knowledge. However, their influence on blade vibration, especially of a non-uniform circumferential distribution, is largely unexplored.

The results of the work relieve aerodynamic and mechanical concerns regarding the application of axial compressors in future small core engines. The destabilizing influence of casing eccentricity is less than previously assumed, which is why the intended safety margins can potentially be reduced. With regard to flowinduced vibrations that occur in concentric casings across the entire speed range, this dissertation shows for the first time that non-uniform rotor tip clearances represent a novel approach in the field of aerodynamic mistuning. The mass flow redistribution upstream of the compressor with a non-uniform clearance causes a circumferential variation of the rotor incidence, which in turn varies the aerodynamic force on the blades circumferentially. As a result, the rotorrelative flow recovers during one turn of the rotor, which ultimately leads to a reduction of the blade vibration amplitudes.

Slight asymmetries in an engine have a stabilizing influence on blade vibrations. For the given case, e.g. an eccentric rotor clearance reduces the amplitudes of nonsynchronous vibrations by -25% of the rig operating limit, compared to a concentric casing with the same average clearance. Partial casing treatments benefit from the same effect and will hence be a powerful tool to avoid non-synchronous vibrations in the future. In contrast to a circumferentially uniform casing treatment that can amplify blade vibrations, non-uniform designs are now a smart solution for the problem of non-synchronous vibrations in front stages during off-design operation.

Place of Publication: Darmstadt
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR) > Measurement Techniques
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Gas Turbines and Aerospace Propulsion (GLR) > Compressor
Date Deposited: 22 Sep 2019 19:55
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8687
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86875
Referees: Schiffer, Prof. Dr. H.-P. and Vogt, Prof. Dr. Damian
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 26 February 2019
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
In der vorliegenden Arbeit wird das aerodynamische und aeroelastische Verhalten eines transsonischen Verdichters mit ungleichmäßigem Spitzenspalt experimentell untersucht. Aktuelle Trends in der Triebwerksentwicklung erfordern effizientere Verdichter mit hohem Druckverhältnis und geringerem Gewicht. Ein erhöhtes Gesamtdruckverhältnis ermöglicht es, das Kerntriebwerk bei gleicher Leistung kleiner zu bauen. Dadurch wird die für Lärm und Triebwerkseffizienz entscheidende Stellgröße, das Nebenstromverhältnis, erhöht. Ein kompakteres Kerntriebwerk führt allerdings zu größeren relativen Spaltweitenzwischen Rotor und Gehäuse, da diese nicht entsprechend mitskaliert werden können. Aus dem gleichen Grund spielen auch Gehäuseasymmetrien zukünftig eine größere Rolle. Ziel der Arbeit ist zum einen eine aerodynamische Analyse, die dem Bereich der Spaltsensitivität und damit der Triebwerksalterung zuzuordnen ist. Zum anderen erfolgt eine Analyse des aeroelastischen Verhaltens, da transsonische Verdichter in Frontstufen des Kerntriebwerks zum Einsatz kommen, die im Teillastbereich zu strömungsinduzierten Schwingungen neigen. Diese Schwingungen können zu Rissen oder sogar einem Versagen der Schaufeln führen. Stabilisierende Maßnahmen, wie etwa Gehäusestrukturen im Bereich der Rotorspitze sind bekannt. Ihr Einfluss auf Schaufelschwingungen, speziell einer ungleichmäßigen Umfangsverteilung, ist allerdings weitgehend unerforscht. Die Ergebnisse der Arbeit entkräften aerodynamische und mechanische Bedenken beim Einsatz von Axialverdichtern in zukünftig kleineren Kerntriebwerken. Der destabilisierende Einfluss einer Gehäuseexzentrizität ist geringer als bisher vermutet, weshalb vorgesehene Sicherheiten in diesem Zusammenhang potenziell reduziert werden können. Bezüglich strömungsinduzierter Schwingungen, die mit konzentrischem Gehäuse im gesamten Drehzahlbereich auftreten, zeigt diese Dissertation erstmals, dass nichtachsensymmetrische Rotorspitzenspalte einen neuartigen Ansatz im Bereich der aerodynamischen Verstimmung des vorliegenden Schwingungssystems darstellen. Die durch Gehäuseasymmetrie erzeugte Massenstromumverteilung vor dem Verdichter, führt zu einer Umfangsvariation der Rotorinzidenz, die wiederum die aerodynamische Kraft auf die Schaufeln in Umfangsrichtung variiert. Demzufolge stabilisiert sich die Rotor- Relativströmung während einer Umdrehung, was letztlich zu einer Reduktion der Schaufelschwingungen führt.Leichte Asymmetrien im Triebwerk haben somit einen stabilisierenden Einfluss auf Schaufelschwingungen. Im untersuchten Fall, reduziert z.B. ein exzentrischer Rotorspalt die Amplituden nicht-synchroner Schwingungen um -25% der am Prüfstand definierten Betriebsgrenze, verglichen mit einem symmetrischen Gehäuse, welches einen identischen mittleren Laufspalt besitzt. Segmentweise gestaltete Gehäusestrukturen profitieren vom gleichen Effekt und sind daher zukünftig ein wirksames Werkzeug zur Vermeidung nicht-synchroner Schwingungen. Leichte Asymmetrien im Triebwerk haben somit einen stabilisierenden Einfluss auf Schaufelschwingungen. Im untersuchten Fall, reduziert z.B. ein exzentrischer Rotorspalt die Amplituden nicht-synchroner Schwingungen um -25% der am Prüfstand definierten Betriebsgrenze, verglichen mit einem symmetrischen Gehäuse, welches einen identischen mittleren Laufspalt besitzt. Segmentweise gestaltete Gehäusestrukturen profitieren vom gleichen Effekt und sind daher zukünftig ein wirksames Werkzeug zur Vermeidung nicht-synchroner Schwingungen. Im Gegensatz zu einer in Umfangsrichtung gleichmäßigen Gehäusestrukturierung, die Schwingungsprobleme verstärken kann, sind ungleichmäßige Bauformen eine nun experimentell erprobte Lösung für das Problem nicht-synchroner Schwingungen in Frontstufen im Off-Designbetrieb.German
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