Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie mécanique, STI - Section de génie mécanique STI-SGM (Laboratoire de thermique appliquée et de turbomachines LTT)

Aeroelastic effects of mistuning and coupling in turbomachinery bladings

Kahl, Gerhard ; Bölcs, Albin (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2002 ; no 2629.

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    Summary
    A numerical method has been developed to study the effects of structural mistuning on the aeroelastic behaviour of turbomachinery cascades. The specific objectives of the work presented here were the following: A method was to be developed that can assess the major effects of structural mistuning in a cascade in sub- and transonic flow situations. The influence of mechanical and aerodynamic coupling between the blades as well as coupling between multiple modes for each blade was to be included. Accurate representations of the aerodynamic forces, taken from a modern three-dimensional unsteady aerodynamic solver were to be used. The method should be applicable for design use, meaning that it has to supply results quickly for a large number of configurations. The applicability and accuracy of the method was to be demonstrated by comparison of numerical results to available data from recent experiments. The influence of major parameters on the aeroelastic stability and on the resonant amplitude of representative test cases should be assessed. The approach used to achieve these goals is the combination of a linearised Euler method for the aerodynamic calculations with a modal reduction technique, where the structural properties of each blade are represented by only a few eigenmodes. The method is validated and applied to two test cases, comprising of a transonic compressor rotor and a high pressure turbine rotor. Both are representative of modern turbomachinery designs. The final conclusions of this work are: The newly developed method is capable to assess the dominant effects of structural mistuning in turbomachinery cascades, including the mechanical and aerodynamic coupling of adjacent blades and the aerodynamic coupling of multiple modes with arbitrarily complex modeshapes. In this method, the aerodynamic characteristics of the cascade are accurately represented using the generalised unsteady aerodynamic coefficients derived from a modern three-dimensional flow solver, applicable to and validated for both sub- and transonic configurations. The simplifications employed significantly contribute to the computational efficiency of the method, making it applicable for design purposes as well as for the assessment of large parametric variations or for statistical studies of stochastically mistuned configurations. The current method is successfully validated by a comparison of numerical to experimental data. The applicability and accuracy is demonstrated by the favourable agreement between measured and computed results. Based on these validations, the method is applied to study the influence of major parameters on the aeroelastic behaviour of the selected test cases. The results show a wide range of phenomena, dependent on the type and strength of mistuning, frequency, modeshape and interblade phase angle. The results highlight the close inter-dependence of the aeroelastic stability derived from the eigenvalue analysis and the resonant amplitudes derived from the forced response analysis.
    Zusammenfassung
    Ein numerisches Verfahren wurde entwickelt, um den Einfluss kleiner Verstimmungen der strukturellen Eigenschaften von Turbomaschinen - Beschaufelungen auf deren aeroelastisches Verhalten zu untersuchen. Die Ziele der hier vorgestellten Arbeiten waren: Ein Verfahren war zu entwickeln, welches die wesentlichen Effekte von struktureller Verstimmung in Beschaufelungen mit sub- und transsonischen Strömungen richtig wiedergibt. Der Einfluss mechanischer und aerodynamischer Kopplung zwischen den Schaufeln sowie der Kopplung zwischen verschiedenen Eigenformen der Schaufeln sollte berücksichtigt werden. Das Verfahrens musste auch bei komplexen dreidimensionalen, sub- und transsonischen Strömungszuständen anwendbar sein. Das zu entwickelnde Verfahren sollte für den Entwurfsprozess tauglich sein, also in kurzer Zeit Ergebnisse für eine große Anzahl verschiedener Konfigurationen liefern können. Die Anwendbarkeit und Genauigkeit des neu entwickelten Verfahrens war durch den Vergleich numerischer Ergebnisse mit experimentellen Resultaten zu zeigen. Der Einfluss der wesentlichen Parameter auf die aeroelastische Stabilität und auf die Resonanzamplituden unter Zwangserregung sollte an repräsentativen Testfällen untersucht werden. Das zur Erreichung dieser Ziele gewählte Vorgehen besteht in der Kombination eines zeitlinearisierten Euler-Verfahrens zur instationären Strömungsberechnung mit einem modalen Ansatz, bei dem das strukturelle Verhalten jeder Schaufel durch wenige Eigenformen wiedergegeben wird. Das Verfahren wurde auf zwei Testfälle angewandt und daran validiert. Dabei handelt es sich um einen transsonischen Verdichterrotor und den Rotor einer Hochdruckturbinen - Versuchsturbine. Beide entsprechen in ihrer Auslegung den Komponenten moderner Turbomaschinen. Die wesentlichen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind: Das neu entwickelte Verfahren ist in der Lage, die wesentlichen Effekte von Kopplung und Verstimmung in den Beschaufelungen von Turbomaschinen richtig zu erfassen, einschließlich der mechanischen Kopplung benachbarter Schaufeln und der aerodynamischen Kopplung unterschiedlicher Moden. Dabei bestehen keine Einschränkungen hinsichtlich der Komplexität der untersuchten Moden. Die verwendeten generalisierten Luftkraft-Koeffizienten liefern eine exakte Beschreibung des instationären Verhaltens der untersuchten Beschaufelungen. Die Koeffizienten werden mit Hilfe eines modernen dreidimensionalen Strömungslösers ermittelt, der für sub- wie auch transsonische Strömungen anwendbar und validiert ist. Die verwendeten Vereinfachungen tragen wesentlich zu der Geschwindigkeit des entwickelten Verfahrens bei. Dadurch wird einerseits die Anwendbarkeit im Auslegungsprozess ermöglicht, andererseits sind dadurch auch Parametervariationen oder statistische Untersuchungen stochastisch verstimmter Konfigurationen durchführbar. Das vorgestellte Verfahren ist durch den Vergleich numerischer Ergebnisse mit experimentellen Daten validiert. Die Anwendbarkeit und Genauigkeit wird durch die gute Übereinstimung zwischen Rechnungen und Messungen bestätigt. Abgesichert durch diese Validierungen wurde das Verfahren für verschiedene Parametervariationen angewandt, bei denen der Einfluss der wesentlichen Parameter auf das aeroelastische Verhalten der ausgewählten Testfälle untersucht wurde. Die Ergebnisse lassen eine Vielfalt verschiedener Phänomene erkennen, die große Unterschiede in Abhängigkeit von der Stärke der Verstimmung, der Frequenz, den Eigenformen und dem Phasendifferenzwinkel aufweisen. Insbesondere wird an vielen Ergebnissen das enge Zusammenspiel zwischen der Veränderung der aeroelastischen Eigenwerte und den Resonanzamplituden unter Zwangserregung deutlich.