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Refinement of Non-Synchronous Vibrations Prediction in Axial Compressors

Martin Drolet

Masters thesis (2010)

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Cite this document: Drolet, M. (2010). Refinement of Non-Synchronous Vibrations Prediction in Axial Compressors (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/488/
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Abstract

RÉSUMÉ Les vibrations asynchrones, ou NSV (de l’anglais « Non-Synchronous Vibrations »), ainsi que le flottement classique font parties de la famille des vibrations induites par les écoulements (ou FIV de l’anglais « Flow-Induced Vibrations ») observées dans les turbomachines. Les FIV sont habituellement causées par l’interaction des fluctuations de la charge aérodynamique sur une structure et la structure elle-même. Elles sont généralement classifiées en deux catégories distinctes, soient les réponses forcées et les instabilités fluide-élastiques qui regroupent, entre autres, les NSV et le flottement classique. Plusieurs cas de NSV ont été rapportés dans l’industrie, dans les étages avant de compresseurs axiaux, et sont typiquement reliées aux dommages en fatigue des aubes. Cependant, le mécanisme physique pouvant expliquer les NSV n’est pas entièrement compris et universellement accepté. Des études antérieures ont suggérées que les fluctuations de l’écoulement de jeu, qui surviennent plus souvent à haute charge aérodynamique et pour des jeux assez grands, pourraient expliquer les NSV. Une autre hypothèse suggère que les NSV découlent de l’impact de l’écoulement de jeu sur l’intrados d’une aube adjacente et que l’étude de la dynamique d’un jet impactant pourrait possiblement expliquer les NSV. Un modèle, basé sur l’analogie d’un jet impactant en résonance, a été proposé afin de prédire les vitesses critiques auxquelles les NSV peuvent survenir. Ce modèle a été statistiquement vérifié et validé expérimentalement. En dépit du fait que le modèle soit capable de fournir une bonne approximation a priori des vitesses critiques de NSV, il a été démontré expérimentalement que l’exactitude des prédictions découlant du modèle est très sensible à un paramètre k, qui a été définit comme étant le « coefficient de convection de l’instabilité ». En effet, les prédictions du modèle ne s’avèrent justes que si le coefficient k est connu. Cet ouvrage présente une étude du modèle de NSV proposé, basé sur l’analogie du jet impactant en résonance décris précédemment, qui utilise principalement des outils numériques afin d’améliorer les prédictions des vitesses critiques de NSV. L’étude démontre que le paramètre « k » est influencé par la grandeur du jeu ainsi que la température d’opération. Cependant, l’effet dominant semble provenir de la grandeur du jeu alors que l’effet de la température sur « k » peut être négligé à des fins de conception. Les travaux suggèrent également que les résultats obtenus devraient être générique, i.e. indépendant de la géométrie utilisée.----------ABSTRACT Non-Synchronous Vibrations (NSV), along with classical flutter, are part of the Flow-Induced Vibrations (FIV) family observed in turbomachineries. FIV are typically caused by the interaction of the unsteady aerodynamic loading on a structure and the structure itself and can be generally classified into two categories, which are Forced Responses and Fluid-Elastic Instabilities. The latter regroups NSV and classical flutter. A number of NSV cases have been reported in the industry, in the front stages of axial compressors, and are typically known to cause high-cycle fatigue damages. However, the physical mechanism underlying NSV is not yet fully understood and universally accepted. Previous studies have suggested that the tip clearance flow oscillations, which are more likely to occur at large tip clearances and high aerodynamic blade loading, could explain NSV. It was also suggested that NSV could arise from the impingement of the tip clearance flow leakage on the blade pressure side and that the study of the dynamics of impinging jets could explain NSV. A model to predict the critical speed at which NSV are likely to occur was derived, based on the resonant impinging jet analogy. The model was statistically verified and experimentally demonstrated. Although the proposed model provides a very good approximation of the critical NSV speed, it was found very sensitive to what was defined as the “instability convection coefficient” (k). It was found from experiments that the proposed NSV model can only yield accurate predictions of the critical NSV speed if the k parameter is known. This work investigates NSV based on the proposed model and the resonant impinging jet analogy, mainly using CFD, to improve the critical NSV speed predictions. The results showed that the k parameter is influenced by both the tip clearance size and operating temperature. However, the dominant effect appears to come from the tip clearance size while the effect of temperature on k can be neglected for design purposes. In addition, this work suggests that the results should be generic, i.e. independent from the geometry used. The main contribution from the current Thesis is a correlation for the k parameter that is independent from the geometry, based on a numerical experiment, which significantly improves the critical NSV speed predictions and makes the proposed model independent from further experiments or numerical studies. In addition, this work also proposes a possible configuration to encounter NSV, which are typically known to occur near stall, in choked flow conditions.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie mécanique
Dissertation/thesis director: Huu duc Vo and Njuki W. Mureithi
Date Deposited: 21 Mar 2011 13:53
Last Modified: 24 Oct 2018 16:10
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/488/

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