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 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. 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 [(cite:urasek1979design>Reid. «Performance of two-stage fan having low-aspect-ratio first-stage rotor blading » 1979.  {{ https://ntrs.nasa.gov/citations/19780025165|pdf}})]: <code>@TechReport{urasek1979design,+  * Original technical report [(cite:urasek1979design>Urasek D. C. //et al// «Performance of two-stage fan having low-aspect-ratio first-stage rotor blading » 1979.  {{ https://ntrs.nasa.gov/citations/19780025165|pdf}})]: <code>@TechReport{urasek1979design,
   author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},   author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},
   date             = {1979},   date             = {1979},
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 {{ :public:modeles:rotor_67:gene_aubes_nasa_image_rotor67.png?400 |}} {{ :public:modeles:rotor_67:gene_aubes_nasa_image_rotor67.png?400 |}}
-<caption>Fig1. https://catalog.archives.gov/id/17500556 </caption>+<caption>Fig. 1 https://catalog.archives.gov/id/17500556 </caption>
  
-<code>@Misc{laity1980records,+  * <code>@Misc{laity1980records,
 author   = {Laity, D.}, 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}, 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},
-note     = {\href{https://catalog.archives.gov/id/17500556}{https://catalog.archives.gov/id/17500556}, 1980 }, % for Fig. 1}+year     = {1980}, 
 +url      = {https://catalog.archives.gov/id/17500556}}
 </code> </code>
    
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   * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor67|downloadable models]] (Git project)   * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor67|downloadable models]] (Git project)
   * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67.pdf | NASA technical report}} (.pdf)   * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67.pdf | NASA technical report}} (.pdf)
-  * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67_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|code en libre accès}})] to generate reference blade models.+  * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67_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.
 </callout> </callout>
  
Ligne 52: Ligne 53:
 ==== Aerodynamic design  ==== ==== Aerodynamic design  ====
  
-^                      ^  unit  ^ values  ^ +^                   ^  unit     ^  values  ^ 
-^ pressure ratio  |  [-]     | 1.63    | +^ pressure ratio    |  [-]      |  1.63    | 
-^ mass flow       |  [kg/s]  | 33.248    | +^ mass flow         |  [kg/s]   |  33.248  | 
-^ tip speed     |  [m/s]   | 427    | +^ tip speed         |  [m/s]    |  427     | 
-^ tip solidity     |  [-]     | 1.288      | +^ tip solidity      |  [-]      |  1.288   | 
-^ aspect ratio          |  [-]     | 1.56     | +^ aspect ratio      |  [-]      |  1.56    | 
-^ number of blades         |  [-]     | 22     | +^ number of blades  |  [-]      |  22      | 
-^ rotative speed  |  [rad/s]  | 1680 |+^ nominal rotation speed $\omega_n$    |  [rad/s]  |  1680    |
  
 ==== Material properties  ==== ==== Material properties  ====
  
-The original material of the rotor 67 is not defined in the NASA report.+The original material of the rotor 67 is not defined in the NASA report. A generic titanium Ti-6Al-4V is considered:  
  
-Considered properties: Ti-6Al-4V, generic titanium : +^                  ^  units    ^ values     ^ 
- +^ alloy            |  [-]      | Ti-6Al-4V  | 
-^                         ^  unité    ^ valeurs             ^ +^ Young's modulus  |  [GPa]    | 108        | 
-^ alloy                |  [-]      | Ti-6Al-4V  | +^ density          |  [kg/m3]  | 4400       | 
-^ Young's modulus          |  [GPa]    | 108                 | +^ Poisson's ratio  |  [-]      | 0.34       | 
-^ density         |  [kg/m3]  | 4400| +^ yield stress     |  [GPa]    | 0.824      |
-^ Poisson's ratio  |  [-]      | 0.34                 | +
-^ yield stress        |  [GPa]    | 0.824               |+
  
  
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 First three natural frequencies (with clamped root) for the mesh computed with OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]: 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)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Natural angular frequency (rad/sec)  ^  Natural frequency (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |       2318.539               | 369.007                  | +|  1     |  1B    |  2318.54                             |  369.01                 | 
-| 2     | 2B    |       6244.462                | 993.837                  | +|  2     |  2B    |  6244.46                             |  993.84                 | 
-| 3     | 1T    |       10871.29                | 1730.22                  |+|  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[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)]:
 +
 +{{ :public:modeles:rotor_67:campbell_eng_67_ref.png?500 }}
 +<caption>Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal rotation speed ωₙ = 1 680 rad/s)</caption>
 +
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_eng_67_ref.pdf |graph (.pdf)}}
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ref.csv |Campbell data (.csv)}}
  
 ===== Initial blade ===== ===== Initial blade =====
Ligne 120: Ligne 127:
   * from the whole mesh:   * from the whole mesh:
  
-^ Mode  ^ Type  ^ Natural angular frequency (rad/sec)  ^ Natural frequency (Hz)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Natural angular frequency (rad/sec)  ^  Natural frequency (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |         2310.044               | 367.655                  | +|  1     |  1B    |  2310.04                             |  367.66                 | 
-| 2     | 2B    |         6215.77               | 989.27                  | +|  2     |  2B    |  6215.77                              |  989.27                  | 
-| 3     | 1T    |         10842.26               | 1725.60                  |+|  3     |  1T    |  10842.26                             |  1725.60                 |
  
  
   * from the reduced order model:   * from the reduced order model:
  
-^ Mode  ^ Type  ^ Natural angular frequency (rad/sec)  ^ Natural frequency (Hz)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Natural angular frequency (rad/sec)  ^  Natural frequency (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |     2310.36                  | 367.705                  | +|  1     |  1B    |  2310.36                              |  367.71                 | 
-| 2     | 2B    |     6222.559                  | 990.351                  | +|  2     |  2B    |  6222.56                             |  990.35                 | 
-| 3     | 1T    |     10866.01                  | 1729.38                 |+|  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:
 +
 +{{ :public:modeles:rotor_67:campbell_eng_67_ini.png?500 }}
 +
 +
 +<caption>Campbell diagram computed with a linear centrifugal preload, with clamped root (nominal speed ωₙ = 1 680 rad/s), 
 +
 +initial blade (orange), reference blade (gray) </caption>
 +
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_eng_67_ini.pdf |graph (.pdf)}}
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ini.csv |Campbell data (.csv)}}
  
  
Ligne 148: Ligne 167:
 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. 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 [(cite:urasek1979design>Reid. «Performance of two-stage fan having low-aspect-ratio first-stage rotor blading » 1979.  {{ https://ntrs.nasa.gov/citations/19780025165|pdf}})]: <code>@TechReport{urasek1979design,+  * Rapport technique original [(cite:urasek1979design>)]: <code>@TechReport{urasek1979design,
   author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},   author           = {Urasek, D. C. and Gorrell, W. T. and Cunnan, W. S.},
   date             = {1979},   date             = {1979},
Ligne 163: Ligne 182:
  
  
-<code>@Misc{laity1980records,+  * <code>@Misc{laity1980records,
 author   = {Laity, D.}, 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}, 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},
-note     = {\href{https://catalog.archives.gov/id/17500556}{https://catalog.archives.gov/id/17500556}, 1980 }, % for Fig. 1}+year     = {1980}, 
 +url      = {https://catalog.archives.gov/id/17500556}}
 </code> </code>
  
Ligne 173: Ligne 193:
   * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor67|modèles téléchargeables]] (lien vers projet Git)   * [[https://gitlab.lava.polymtl.ca/depots_publics/modeles/catalogue_aubes/-/tree/master/rotor67|modèles téléchargeables]] (lien vers projet Git)
   * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67.pdf | rapport technique original}} de la NASA (.pdf)   * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67.pdf | rapport technique original}} de la NASA (.pdf)
-  * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67_original.csv | fichier de paramètres géométriques}} (.csv), utilisable en entrée de 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|code en libre accès}})] pour générer l'aube de référence +  * {{ :public:modeles:rotor_67:rotor67_original.csv | fichier de paramètres géométriques}} (.csv), utilisable en entrée de OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes>)] pour générer l'aube de référence 
 </callout> </callout>
  
Ligne 194: Ligne 214:
 ^ allongement          |  [-]     | 1,56     | ^ allongement          |  [-]     | 1,56     |
 ^ nombre d'aubes       |  [-]     | 22       | ^ nombre d'aubes       |  [-]     | 22       |
-^ vitesse de rotation  |  [rad/s]  | 1680  |+^ vitesse de rotation nominale $\omega_n$  |  [rad/s]  | 1680  |
  
 ==== Propriétés matériau  ==== ==== Propriétés matériau  ====
  
-Le matériau original du rotor 67 n'est pas défini dans le rapport de la NASA.+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 :
  
-Propriétés considérées :  alliage de titane Ti-6Al-4v : +^                         ^  unités    ^ valeurs            ^
- +
-^                         ^  unité    ^ valeurs             ^+
 ^ alliage                 |  [-]      | Ti-6Al-4v | ^ alliage                 |  [-]      | Ti-6Al-4v |
 ^ module d'Young          |  [GPa]    | 108                 | ^ module d'Young          |  [GPa]    | 108                 |
Ligne 233: Ligne 251:
 Fréquences des trois premiers modes (noeuds du pied d'aube encastrés) pour le maillage obtenu avec OpenMCAD[(cite:Kojtych_2022_gene_aubes)] : 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)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Pulsation propre (rad/sec)  ^  Fréquence propre (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |       2318,539               | 369,007                  | +|  1     |  1F    |  2318,54                     |  369,01                 | 
-| 2     | 2B    |       6244,462                | 993,837                  | +|  2     |  2F    |  6244,46                     |  993,84                 | 
-| 3     | 1T    |       10871,29                | 1730,22                  |+|  3     |  1T    |  10871,29                    |  1730,22                |
  
  
 +====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_67:campbell_67_ref.png?500 }}
 +<caption>diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 1 680 rad/s)</caption>
 +
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ref.pdf |graphique (.pdf)}}
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ref.csv |données du Campbell (.csv)}}
 +
 +
 + 
  
 ===== Aube initiale ===== ===== Aube initiale =====
Ligne 250: Ligne 278:
   * pour le maillage complet :   * pour le maillage complet :
  
-^ Mode  ^ Type  ^ Pulsation propre (rad/sec)  ^ Fréquence propre (Hz)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Pulsation propre (rad/sec)  ^  Fréquence propre (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |         2310,044               | 367,655                  | +|  1     |  1F    |  2310,04                     |  367,66                 | 
-| 2     | 2B    |         6215,77               | 989,27                  | +|  2     |  2F    |  6215,77                     |  989,27                 | 
-| 3     | 1T    |         10842,26               | 1725,60                  |+|  3     |  1T    |  10842,26                    |  1725,60                |
  
  
Ligne 259: Ligne 287:
   * pour le modèle réduit :   * pour le modèle réduit :
  
-^ Mode  ^ Type  ^ Pulsation propre (rad/sec)  ^ Fréquence propre (Hz)  ^ +^  Mode  ^  Type  ^  Pulsation propre (rad/sec)  ^  Fréquence propre (Hz)  ^ 
-| 1     | 1B    |     2310,36                  | 367,705                  | +|  1     |  1F    |  2310,36                     |  367,71                 | 
-| 2     | 2B    |     6222,559                  | 990,351                  | +|  2     |  2F    |  6222,56                     |  990,35                 | 
-| 3     | 1T    |     10866,01                  | 1729,38                 |+|  3     |  1T    |  10866,01                    |  1729,38                |
  
-</pane> +====Diagramme de Campbell==== 
-</tabs>+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_67:campbell_67_ini.png?500 }}
 +<caption>diagramme de Campbell calculé avec une précharge centrifuge linéaire, noeuds du pied d'aube encastrés (vitesse nominale ωₙ = 1 680 rad/s),
  
 +aube initiale (orange), aube de référence (grise)</caption>
 +
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ini.pdf |graphique (.pdf)}}
 +  * {{ :public:modeles:rotor_67:campbell_67_ini.csv |données du Campbell (.csv)}}
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  • Dernière modification : 2023/04/05 09:04
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