Rotor 23B

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Rotor 23B is part of a research program to study the effects of aspect ratio, diffusion factor, and solidity on rotors. To do so, experimental studies have been conducted on a series of high-hub-tip-radius-ratio compressor stages representative of the middle and latter stages of axial-flow compressors. In fact, 14 middle stages were tested to assess the effects on performance of varying both diffusion through the rotor and stator blades and blade aspect ratio. Among these 14 stages, there are rotors 23B, 24A, 25A, 26B, 27A and 28B. Both the tip diameter and the hub-tip radius ratio were held constant throughout each stage at 50.8 centimeters and 0.8, respectively.

  • Original technical report [1]: 
    @TechReport{britsch1979design,
  author           = {Britsch, Werner R. and Osborn, Walter M. and Laessig, Mark R.},
  date             = {1979},
  institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
  title            = {Effects of Diffusion Factor, Aspect Ratio, and Solidity on Overall Performance of 14 Compressor Middle Stages},
  number           = {NASA-TP-1523},
  url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19790025039}
  }
  • Picture :

Fig1. https://catalog.archives.gov/id/17446275
  • @Misc{brown1975records,
author   = {Brown, M.},
title    = {Rotor 23B - Stator 20B. {R}ecords of the {N}ational {A}eronautics and {S}pace {A}dministration, 1903 - 2006. {P}hotographs relating to agency activities, facilities and personnel, 1973 - 2013},
url      = {https://catalog.archives.gov/id/17446275}}

Useful documents

Reference blade

The reference blade is defined with multiple-circular arc profiles[3] given in the original NASA report[1]. Corresponding models are computed with the open-source code OpenMCAD[2].

Geometry

The geometry of rotor 23B is described in the original NASA report by the following tables. The length are in centimeters and the angles in degrees.

Aerodynamic design

unit value
pressure ratio [-] 1.257
mass flow [kg/s] 9.46
tip speed [m/s] 243.8
tip solidity [-] 1.6
aspect ratio [-] 1
number of blades [-] 50
nominal rotation speed $\omega_n$ [rad/s] 960.28

Material properties

The original material of the rotor 23B 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[2].

pressure side
suction side

Natural frequencies

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

Mode Type Natural angular frequency (rad/sec) Natural frequency (Hz)
1 1B 6548.40 1042.21
2 1T 15063.74 2397.47
3 2B 28660.44 4561.45

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]:

Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal rotation speed ωₙ = 960.28 rad/s)

Initial blade

The initial blade is defined with in-house LAVA parameters[4] 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 6612.49 1052.41
2 1T 15121.80 2406.71
3 2B 28889.33 4597.88
  • from the reduced order model:
Mode Type Natural angular frequency (rad/sec) Natural frequency (Hz)
1 1B 6613.05 1052.50
2 1T 15126.14 2407.40
3 2B 28946.25 4606.94

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:

Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal speed ωₙ = 960.28 rad/s),

initial blade (orange), reference blade (gray)

Fichiers téléchargeables

À propos

Le rotor 23B fait partie d'un programme de recherche visant à étudier les effets de l’allongement, du facteur de diffusion et de la solidité des rotors. Pour ce faire, des études expérimentales ont été menées sur une série d'étages de compresseurs à fort rapport entre les rayons du moyeu et de la tête d’aube, représentatifs des étages moyens et avancés des compresseurs à flux axial. En effet, 14 étages intermédiaires ont été testés pour évaluer les effets sur les performances de la variation de la diffusion et de l’allongement des aubes. Parmi ces 14 étages, on trouve les rotors 23B, 24A, 25A, 26B, 27A et 28B. Le diamètre de l'extrémité des aubes et le rapport entre les rayons du moyeu et de la tête d’aube ont été maintenus constants tout au long de chaque étage, respectivement à 50,8 centimètres et 0,8.

  • Rapport technique original [1]: 
    @TechReport{britsch1979design,
  author           = {Britsch, Werner R. and Osborn, Walter M. and Laessig, Mark R.},
  date             = {1979},
  institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
  title            = {Effects of Diffusion Factor, Aspect Ratio, and Solidity on Overall Performance of 14 Compressor Middle Stages},
  number           = {NASA-TP-1523},
  url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19790025039}
  }
  • Photographie :

Fig1. https://catalog.archives.gov/id/17446275
  • @Misc{brown1975records,
author   = {Brown, M.},
title    = {Rotor 23B - Stator 20B. {R}ecords of the {N}ational {A}eronautics and {S}pace {A}dministration, 1903 - 2006. {P}hotographs relating to agency activities, facilities and personnel, 1973 - 2013},
url      = {https://catalog.archives.gov/id/17446275}}

Documents utiles

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[1]. Les modèles associés sont obtenus avec le code en libre accès OpenMCAD[2].

Géométrie

La géométrie du rotor 23B est décrite dans le rapport d'origine de la NASA par les tableaux suivants. Les grandeurs sont en centimètres et en degrés.

Caractéristiques aérodynamiques

unités valeurs
taux de compression [-] 1,257
débit massique [kg/s] 9,46
vitesse en tête [m/s] 243,8
solidité en tête [-] 1,6
allongement [-] 1
nombre d'aubes [-] 50
vitesse de rotation nominale $\omega_n$ [rad/s] 960,28

Propriétés matériau

Le matériau original du rotor 23B 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[2].

intrados
extrados

Fréquences propres

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

Mode Type Pulsation propre (rad/sec) Fréquence propre (Hz)
1 1F 6548,40 1042,21
2 1T 15063,74 2397,47
3 2F 28660,44 4561,45

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]:

diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 960,28 rad/s)

Aube initiale

L'aube initiale est définie par des paramètres spécifiques au LAVA[4] 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 6612,49 1052,41
2 1T 15121,80 2406,71
3 2F 28889,33 4597,88
  • pour le modèle réduit :
Mode Type Pulsation propre (rad/sec) Fréquence propre (Hz)
1 1F 6613,05 1052,50
2 1T 15126,14 2407,40
3 2F 28946,25 4606,94

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:

diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 960,28 rad/s),

aube initiale (orange), aube de référence (grise)

1. a, b, c, d Britsch et al «Design and overall performance of four highly loaded, high speed inlet stages for an advanced high-pressure-ratio core compressor » 1979. pdf
2. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j Kojtych S., Batailly A. «OpenMCAD, an open blade generator: from Multiple-Circular-Arc profiles to Computer-Aided Design model» 2022. open source code
3. a, b Crouse et al. «A computer program for composing compressor blading from simulated circular-arc elements on conical surfaces » 1969. NASA-TN-D-5437. pdf
4. a, b 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. pdf
  • public/modeles/rotor_23b/accueil.txt
  • Dernière modification : 2024/08/06 17:01
  • de rafaelbarraud