====== Rotor 18 ====== * [[#tab-fr|Français]] * [[#tab-en|English]] Downloadable files **[[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor18|Git project]]** ===== About ===== One way to reduce compressor weight is to obtain a high pressure ratio per stage, thereby reducing the number of stages. As a consequence, several single-stage fans have been designed to produce stage pressure ratios ranging from 1.9 to 2.2. Rotor 18 is one of those fans with a pressure ratio of 1.925. * Original technical report [(cite:lewis1974design>Lewis //et al//. «Design and performance of a high-pressure-ratio, highly loaded axial-flow transonic compressor stage » 1974. {{ https://ntrs.nasa.gov/citations/19740025108|pdf}})]: @TechReport{lewis1974design, author = {Lewis, George W. and Reid, Lonnie and Tysl, Edward R.}, date = {1974}, institution = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States}, title = {Design and performance of a high-pressure-ratio, highly loaded axial-flow transonic compressor stage}, number = {NASA-TM X-3100}, url = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19740025108}, } * Picture : {{ :public:modeles:rotor_18:gene_aubes_nasa_image_rotor18.png?300 |}} Fig1. https://catalog.archives.gov/id/17422714 * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor18|downloadable models]] (Git project) * {{ :public:modeles:rotor_18:rotor18.pdf | NASA technical report}} (.pdf) * {{ :public:modeles:rotor_18:rotor18_original.csv | geometrical parameters file}} (.csv), usable as input of OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes>Kojtych S., Batailly A. «OpenMCAD, an open blade generator: from Multiple-Circular-Arc profiles to Computer-Aided Design model» 2022. {{ https://hal.science/hal-03923093|open source code}})] to generate reference blade models. ===== Reference blade===== The **reference blade** is defined with multiple-circular arc profiles[(cite:Crouse_1969_computer)] given in the original NASA report[(cite:lewis1974design)]. Corresponding models are computed with the open-source code OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]. ==== Geometry ==== The geometry of rotor 18 is described in the [[https://ntrs.nasa.gov/citations/19740025108|original NASA report]] by the following tables. The length are in centimeters and the angles in degrees. {{ :public:modeles:rotor_18:gene_aubes_nasa_geom_rotor18.png?400 |}} ==== Aerodynamic design ==== ^ ^ unit ^ value ^ ^ pressure ratio | [-] | 1.925 | ^ mass flow | [kg/s] | 29.5 | ^ tip speed | [m/s] | 422 | ^ tip solidity | [-] | 1.7 | ^ aspect ratio | [-] | 2.6 | ^ number of blades | [-] | 56 | ^ nominal rotation speed $\omega_n$ | [rad/s] | 1686 | ==== Material properties ==== The original material of the rotor 18 is not defined in the NASA report. A generic titanium Ti-6Al-4V is considered: ^ ^ unit ^ value ^ ^ alloy | [-] | Ti-6Al-4V | ^ Young's modulus | [GPa] | 108 | ^ density | [kg/m3] | 4400| ^ Poisson's ratio | [-] | 0.34 | ^ yield stress | [GPa] | 0.824 | ==== CAD model ==== The CAD model is computed with the open source code OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]. {{ :public:modeles:rotor_18:18_intra.png?200 |}} pressure side {{ :public:modeles:rotor_18:18_extra.png?200 |}} suction side ==== Natural frequencies ==== First three natural frequencies (with clamped root) for the mesh computed with OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]: ^ Mode ^ Type ^ Natural angular frequency (rad/sec) ^ Natural frequency (Hz) ^ | 1 | 1B | 2023.14 | 321.99 | | 2 | 2B | 6631.02 | 1055.36 | | 3 | 1T | 10297.70 | 1638.93 | ====Campbell diagram==== Evolution of the natural frequencies of the first 3 vibration modes, as a function of rotation speed, for the mesh computed with OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]: {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_eng_18_ref.png?500 }} Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal rotation speed ωₙ = 1 686 rad/s) * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_eng_18_ref.pdf |graph (.pdf)}} * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ref.csv |Campbell data (.csv)}} ===== Initial blade ===== The **initial blade** is defined with in-house LAVA parameters[(cite:Kojtych_2022_Methodology)] computed from the reference blade CAD model. The initial blade is usually used as starting point for an optimization process. Its geometry is similar to the one of the reference blade. ==== Natural frequencies ==== First three natural frequencies (with clamped root) * from the whole mesh: ^ Mode ^ Type ^ Natural angular frequency (rad/sec) ^ Natural frequency (Hz) ^ | 1 | 1B | 2018.44 | 321.24 | | 2 | 2B | 6628.45 | 1054.95 | | 3 | 1T | 10299.84 | 1639.27 | * from the reduced order model: ^ Mode ^ Type ^ Natural angular frequency (rad/sec) ^ Natural frequency (Hz) ^ | 1 | 1B | 2018.52 | 321.26 | | 2 | 2B | 6631.02 | 1055.36 | | 3 | 1T | 10304.68 | 1640.04 | ====Campbell diagram==== Comparison of the evolution of the natural frequencies of the first 3 vibration modes, as a function of rotation speed for the initial and the reference blade: {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_eng_18_ini.png?500 }} Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal speed ωₙ = 1 686 rad/s), initial blade (orange), reference blade (gray) * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_eng_18_ini.pdf |graph (.pdf)}} * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ini.csv |Campbell data (.csv)}} Fichiers téléchargeables **[[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor18|lien vers le projet Git]]** ===== À propos ===== Une façon de réduire le poids d’un compresseur est d’atteindre un rapport de pression élevé par étage, ce qui permet de réduire le nombre d'étages de ce compresseur. Par conséquent, plusieurs soufflantes à un étage ont été conçus pour produire des rapports de pression par étage allant de 1,9 à 2,2. Le rotor 18 est donc une de ces soufflantes et possède un taux de compression de 1,925. * Rapport technique original [(cite:lewis1974design>)]: @TechReport{lewis1974design, author = {Lewis, George W. and Reid, Lonnie and Tysl, Edward R.}, date = {1974}, institution = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States}, title = {Design and performance of a high-pressure-ratio, highly loaded axial-flow transonic compressor stage}, number = {NASA-TM X-3100}, url = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19740025108}, } * Photographie : {{ :public:modeles:rotor_18:gene_aubes_nasa_image_rotor18.png?300 |}} Fig1. https://catalog.archives.gov/id/17422714 * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor18|modèles téléchargeables]] (lien vers projet Git) * {{ :public:modeles:rotor_18:rotor18.pdf | rapport technique original}} de la NASA (.pdf) * {{ :public:modeles:rotor_18:rotor18_original.csv| fichier de paramètres géométriques}} (.csv), utilisable en entrée de OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes>)] pour générer l'aube de référence ===== Aube de référence ===== L'**aube de référence** est définie par des profils de type arcs circulaires multiples[(cite:Crouse_1969_computer>Crouse //et al//. «A computer program for composing compressor blading from simulated circular-arc elements on conical surfaces » 1969. NASA-TN-D-5437. {{ https://ntrs.nasa.gov/citations/19690027504|pdf}})], donnés dans le rapport technique original de la NASA[(cite:lewis1974design)]. Les modèles associés sont obtenus avec le code en libre accès OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]. ==== Géométrie ==== La géométrie du rotor 18 est décrite dans le [[https://ntrs.nasa.gov/citations/19740025108|rapport d'origine de la NASA]] par les tableaux suivants. Les grandeurs sont en centimètres et en degrés. {{ :public:modeles:rotor_18:gene_aubes_nasa_geom_rotor18.png?400 |}} ==== Caractéristiques aérodynamiques ==== ^ ^ unités ^ valeurs ^ ^ taux de compression | [-] | 1,925 | ^ débit massique | [kg/s] | 29,5 | ^ vitesse en tête | [m/s] | 422 | ^ solidité en tête | [-] | 1,7 | ^ allongement | [-] | 2,6 | ^ nombre d'aubes | [-] | 56 | ^ vitesse de rotation nominale $\omega_n$ | [rad/s] | 1686 | ==== Propriétés matériau ==== Le matériau original du rotor 18 n'est pas défini dans le rapport de la NASA. Un alliage de titane Ti-6Al-4v est considéré : ^ ^ unité ^ valeurs ^ ^ alliage | [-] | Ti-6Al-4v | ^ module d'Young | [GPa] | 108 | ^ masse volumique | [kg/m3] | 4400 | ^ coefficient de Poisson | [-] | 0,34 | ^ limite élastique | [GPa] | 0,824 | ==== Modèle CAO ==== Le modèle CAO est obtenu avec OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]. {{ :public:modeles:rotor_18:18_intra.png?200 |}} intrados {{ :public:modeles:rotor_18:18_extra.png?200 |}} extrados ==== Fréquences propres ==== Fréquences des trois premiers modes (noeuds du pied d'aube encastrés) pour le maillage obtenu avec OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)] : ^ Mode ^ Type ^ Pulsation propre (rad/sec) ^ Fréquence propre (Hz) ^ | 1 | 1F | 2023,14 | 321,99 | | 2 | 2F | 6631,02 | 1055,36 | | 3 | 1T | 10297,70 | 1638,93 | ====Diagramme de Campbell==== Évolution des fréquences propres des 3 premiers modes, en fonction de la vitesse de rotation, pour le maillage obtenu avec OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]: {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ref.png?500 }} diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 1 686 rad/s) * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ref.pdf |graphique (.pdf)}} * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ref.csv |données du Campbell (.csv)}} ===== Aube initiale ===== L'**aube initiale** est définie par des paramètres spécifiques au LAVA[(cite:Kojtych_2022_Methodology>Kojtych S. //et al//. «Methodology for the Redesign of Compressor Blades Undergoing Nonlinear Structural Interactions: Application to Blade-Tip/Casing Contacts » 2022. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 145, No. 5. {{ https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-03795257|pdf}})] obtenus à partir du modèle CAO de l'aube de référence. L'aube initiale est classiquement utilisée comme point de départ dans le cadre de procédures d'optimisation; sa géométrie est similaire à celle de l'aube de référence. ==== Fréquences propres ==== Fréquences des trois premiers modes (noeuds du pied d'aube encastrés), * pour le maillage complet : ^ Mode ^ Type ^ Pulsation propre (rad/sec) ^ Fréquence propre (Hz) ^ | 1 | 1F | 2018,44 | 321,24 | | 2 | 2F | 6628,45 | 1054,95 | | 3 | 1T | 10299,84 | 1639,27 | * pour le modèle réduit : ^ Mode ^ Type ^ Pulsation propre (rad/sec) ^ Fréquence propre (Hz) ^ | 1 | 1F | 2018,52 | 321,26 | | 2 | 2F | 6631,02 | 1055,36 | | 3 | 1T | 10304,68 | 1640,04 | ====Diagramme de Campbell==== Comparaison de l'évolution des fréquences propres des 3 premiers modes, en fonction de la vitesse de rotation, pour l'aube initiale et de référence: {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ini.png?500 }} diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 1 686 rad/s), aube initiale (orange), aube de référence (grise) * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ini.pdf |graphique (.pdf)}} * {{ :public:modeles:rotor_18:campbell_18_ini.csv |données du Campbell (.csv)}}