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Refinement of Non-Synchronous Vibrations Prediction in Axial Compressors

Martin Drolet

Master's thesis (2010)

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Abstract

Non-Synchronous Vibrations (NSV), along with classical flutter, are part of the Flow-InducedVibrations (FIV) family observed in turbomachineries. FIV are typically caused by theinteraction of the unsteady aerodynamic loading on a structure and the structure itself and can begenerally classified into two categories, which are Forced Responses and Fluid-ElasticInstabilities. The latter regroups NSV and classical flutter. A number of NSV cases have beenreported in the industry, in the front stages of axial compressors, and are typically known to causehigh-cycle fatigue damages. However, the physical mechanism underlying NSV is not yet fullyunderstood and universally accepted. Previous studies have suggested that the tip clearance flowoscillations, which are more likely to occur at large tip clearances and high aerodynamic bladeloading, could explain NSV. It was also suggested that NSV could arise from the impingement ofthe tip clearance flow leakage on the blade pressure side and that the study of the dynamics ofimpinging jets could explain NSV. A model to predict the critical speed at which NSV are likelyto occur was derived, based on the resonant impinging jet analogy. The model was statisticallyverified and experimentally demonstrated. Although the proposed model provides a very goodapproximation 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 NSVmodel 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 jetanalogy, mainly using CFD, to improve the critical NSV speed predictions. The results showedthat 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 oftemperature on k can be neglected for design purposes. In addition, this work suggests that theresults should be generic, i.e. independent from the geometry used. The main contribution fromthe 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 speedpredictions and makes the proposed model independent from further experiments or numericalstudies. In addition, this work also proposes a possible configuration to encounter NSV, whichare typically known to occur near stall, in choked flow conditions.

Résumé

Les vibrations asynchrones, ou NSV (de l'anglais « Non-Synchronous Vibrations »), ainsi que leflottement classique font parties de la famille des vibrations induites par les écoulements (ou FIVde l'anglais « Flow-Induced Vibrations ») observées dans les turbomachines. Les FIV sonthabituellement causées par l'interaction des fluctuations de la charge aérodynamique sur unestructure et la structure elle-même. Elles sont généralement classifiées en deux catégoriesdistinctes, soient les réponses forcées et les instabilités fluide-élastiques qui regroupent, entreautres, les NSV et le flottement classique. Plusieurs cas de NSV ont été rapportés dansl'industrie, dans les étages avant de compresseurs axiaux, et sont typiquement reliées auxdommages en fatigue des aubes. Cependant, le mécanisme physique pouvant expliquer les NSVn'est pas entièrement compris et universellement accepté. Des études antérieures ont suggéréesque les fluctuations de l'écoulement de jeu, qui surviennent plus souvent à haute chargeaérodynamique et pour des jeux assez grands, pourraient expliquer les NSV. Une autre hypothèsesuggère que les NSV découlent de l'impact de l'écoulement de jeu sur l'intrados d'une aubeadjacente et que l'étude de la dynamique d'un jet impactant pourrait possiblement expliquer lesNSV. Un modèle, basé sur l'analogie d'un jet impactant en résonance, a été proposé afin deprédire les vitesses critiques auxquelles les NSV peuvent survenir. Ce modèle a étéstatistiquement vérifié et validé expérimentalement. En dépit du fait que le modèle soit capablede fournir une bonne approximation a priori des vitesses critiques de NSV, il a été démontréexpérimentalement que l'exactitude des prédictions découlant du modèle est très sensible à unparamètre k, qui a été définit comme étant le « coefficient de convection de l'instabilité ». Eneffet, 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 impactanten résonance décris précédemment, qui utilise principalement des outils numériques afind'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'effetdominant semble provenir de la grandeur du jeu alors que l'effet de la température sur « k » peutêtre négligé à des fins de conception. Les travaux suggèrent également que les résultats obtenusdevraient être générique, i.e. indépendant de la géométrie utilisée.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: Génie mécanique
Academic/Research Directors: Huu Duc Vo, Njuki W. Mureithi
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/488/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 21 Mar 2011 13:53
Last Modified: 09 Nov 2022 15:32
Cite in APA 7: Drolet, M. (2010). Refinement of Non-Synchronous Vibrations Prediction in Axial Compressors [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/488/

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