Rotor 67

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About

To reduce fan noise, an advanced, two-stage, high-pressure-ratio fan having widely spaced blade rows was build and tested. Rotor 67 is the rotor of the first stage of this fan. But, the overall efficiency of this two-stage fan was approximately 5 percentage points less than its design value. Analysis of the test results indicated that the first-stage stator and the second stage had potential for good performance but were hampered mainly by the dampered first-stage rotor. The dampers were responsible for large radial gradients of total pressure and deviation angle across a large portion of the blade height, resulting in mismatches in later blade rows. To improve performance of the first stage as well as the stage matching, the original two-stage fan was reconfigured with a newly designed first-stage rotor. Lower-aspect-ratio blading was selected for the rotor to eliminate both the need for part span dampers and their associated penalties on aerodynamic performance.

• Original technical report ^[1]:

  @TechReport{urasek1979design,
    author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},
    date             = {1979},
    institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
    title            = {Performance of two-stage fan having low-aspect-ratio first-stage rotor blading},
    number           = {NASA-TP-1493},
    url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19790018972},
  }  

• Picture :

Fig. 1 https://catalog.archives.gov/id/17500556

• @Misc{laity1980records,
  author   = {Laity, D.},
  title    = {Stage 67 rotor and stage 67 casing half stators mounted. {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},
  year     = {1980},
  url      = {https://catalog.archives.gov/id/17500556}}

Useful documents

• downloadable models (Git project)
• NASA technical report (.pdf)
• geometrical parameters file (.csv), usable as input of OpenMCAD^[2] to generate reference blade models.

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 67 is described in the original NASA report by the following tables. The length are in centimeters and the angles in degrees.

Aerodynamic design

	unit	values
pressure ratio	[-]	1.63
mass flow	[kg/s]	33.248
tip speed	[m/s]	427
tip solidity	[-]	1.288
aspect ratio	[-]	1.56
number of blades	[-]	22
nominal rotation speed $\omega_n$	[rad/s]	1680

Material properties

The original material of the rotor 67 is not defined in the NASA report. A generic titanium Ti-6Al-4V is considered:

	units	values
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	2318.54	369.01
2	2B	6244.46	993.84
3	1T	10871.29	1730.22

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 = 1 680 rad/s)

• graph (.pdf)
• Campbell data (.csv)

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	2310.04	367.66
2	2B	6215.77	989.27
3	1T	10842.26	1725.60

• from the reduced order model:

Mode	Type	Natural angular frequency (rad/sec)	Natural frequency (Hz)
1	1B	2310.36	367.71
2	2B	6222.56	990.35
3	1T	10866.01	1729.38

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 = 1 680 rad/s),

initial blade (orange), reference blade (gray)

• graph (.pdf)
• Campbell data (.csv)

</pane>

<pane id=“tab-fr”>

Fichiers téléchargeables

À propos

Pour réduire le bruit des soufflantes, une soufflante a deux étages a été construite et testée. Cette soufflante possède un grand taux de compression (2.4) et ses rangées d’aubes sont très espacées. Le rotor 67 est le rotor du premier étage de cette soufflante. Cependant, le rendement global de cette soufflante à deux étages était inférieur d'environ 5% au rendement prévu. L'analyse des résultats des essais a montré que le stator du premier étage et le deuxième étage avaient un potentiel de bonnes performances, mais qu'ils étaient entravés principalement par le rotor du premier étage qui était amorti. Les amortisseurs étaient responsables d'importants gradients de pression totale et d'angle de déviation sur une grande partie de la hauteur des aubes, ce qui a entraîné des déséquilibres dans les rangées d’aubes ultérieures. Pour améliorer les performances du premier étage ainsi que l'appariement des étages, le rotor du premier étage a été reconfiguré. Des aubes à faible allongement d'aspect ont été privilégiées.

• Rapport technique original ^[1]:

  @TechReport{urasek1979design,
    author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},
    date             = {1979},
    institution      = {NASA Lewis Research Center Cleveland, OH, United States},
    title            = {Performance of two-stage fan having low-aspect-ratio first-stage rotor blading},
    number           = {NASA-TP-1493},
    url              = {https://ntrs.nasa.gov/citations/19790018972},
  }  

• Photographie :

• @Misc{laity1980records,
  author   = {Laity, D.},
  title    = {Stage 67 rotor and stage 67 casing half stators mounted. {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},
  year     = {1980},
  url      = {https://catalog.archives.gov/id/17500556}}

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 67 est décrite dans le rapport d'origine de la NASA par les tableaux suivants. Les grandeurs sont en centimètres et en degrés.

Caractéristiques aérodynamiques

Propriétés matériau

Le matériau original du rotor 67 n'est pas défini dans le rapport de la NASA. Un alliage de titane Ti-6Al-4v est considéré :

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^[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 :

• pour le modèle réduit :

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)