Rotor 3

About

Rotor 3 is part of a research program to study study the effects of blade solidity on efficiency and stall margin of an axial-flow compressor rotor. It is one of a series of rotors designed with varying blade solidity achieved by changing the blade chord length : rotor 3 with a tip solidity of 1.3, rotor 4 with a tip solidity of 1.1 and rotor 5 with a tip solidity of 1.5.

Results show that the pressure ratio, temperature ratio and efficiency of this rotor are higher than design predicted values because of the actual losses being generally lower than those assumed in the design.

• Original NASA technical report ^[1]:

  @TechReport{hager1972performance,
    author           = {Hager, Roy D and Janetzke, David C and Reid, Lonnie},
    date             = {1972},
    institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
    title            = {Performance of a 1380-foot-per-second-tip-speed axial-flow compressor rotor with a blade tip solidity of 1.3},
    number           = {NASA-TM X-2448},
    url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341},
  }
  

• Pictures :

  

  Fig1. https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341 p.66

  

  Fig2. https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341 p.67

Reference blade

The reference blade is defined with multiple-circular arc profiles^[3] given in the original NASA report^[4]. Corresponding models are computed with the open-source code OpenMCAD^[2].

Geometry

The geometry of rotor 3 is described in the original NASA report by the following table. The lenghts are in inches and the angles in degrees.

Aerodynamic design

Material properties

Rotor 3 is made of a 200-grade maraging steel, but the exact material properties are not provided in the NASA report. The following properties are considered :

CAD model

The CAD model is computed with the open source code OpenMCAD^[2].

intrados

extrados

Natural frequencies

First three natural frequencies (with clamped root) for the mesh computed with OpenMCAD^[2]:

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^[2]:

• graph (.pdf)
• Campbell data (.csv)

Initial blade

The initial blade is defined with in-house LAVA parameters^[5] 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:

• from the reduced order model:

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:

• graph (.pdf)
• Campbell data (.csv)

À propos

Le rotor 3 fait partie d'un programme de recherche pour étudier les effets de la solidité des pales sur le rendement et la marge de décrochage d'un compresseur à flux axial. Il fait partie d'une série de rotors conçus avec une solidité d'aube variable obtenue en modifiant la longueur de la corde de l'aube : le rotor 3 possède une solidité en tête de 1.3, le rotor 4 possède une solidité en tête de 1.1 et le rotor 5 possède une solidité en tête de 1.5.

Les résultats montrent que le taux de compression, le ratio de température et le rendement du rotor 3 sont plus élevés que ceux prévus lors de la conception car les pertes effectives sont inférieures à celles estimées lors de la conception.

• Rapport technique original ^[1]:

  @TechReport{hager1972performance,
    author           = {Hager, Roy D and Janetzke, David C and Reid, Lonnie},
    year            = {1972},
    institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
    title           = {Performance of a 1380-foot-per-second-tip-speed axial-flow compressor rotor with a blade tip solidity of 1.3},
    number           = {NASA-TM X-2448},
    url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341},
  }

• Photographies :

  

  Fig1. https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341 p.66

  

  Fig2. https://ntrs.nasa.gov/citations/19720012341 p.67

Aube de référence

L'aube de référence est définie par des profils de type arcs circulaires multiples^[3], donnés dans le rapport technique original de la NASA^[4]. Les modèles associés sont obtenus avec le code en libre accès OpenMCAD^[2].

Géométrie

La géométrie du rotor 3 est décrite dans le rapport d'origine de la NASA par les tableaux suivants. Les grandeurs sont en pouces et en degrés.

Caractéristiques aérodynamiques

Propriétés matériau

Le matériau du rotor 3 est un alliage à base de nickel : un acier maraging de grade 200, mais ses caractéristiques ne sont pas fournies. Les propriétés considérées sont :

Modèle CAO

Le modèle CAO est obtenu avec OpenMCAD^[2].

intrados

extrados

Fréquences propres

Fréquences des trois premiers modes (noeuds du pied d'aube encastrés) pour le maillage obtenu avec OpenMCAD^[2] :

Diagramme de Campbell

Évolution des fréquences propres des 3 premiers modes, en fonction de la vitesse de rotation, pour le maillage obtenu avec OpenMCAD^[2]:

• graphique (.pdf)
• données du Campbell (.csv)

Aube initiale

L'aube initiale est définie par des paramètres spécifiques au LAVA^[5] 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 :

• pour le modèle réduit :

</tabs>

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:

• graphique (.pdf)
• données du Campbell (.csv)