The study of the stiffness of a combustor tile with cooling pedestals in a liner suitable for Rolls-Royce® Trent 900, Trent 1000 and Trent XWB

I have completed a project in the Department of Combustion and Casings in Rolls-Royce plc, in Derby UK, as a 6 month trainee. This work is also my final thesis which I will dissert in Polytechnic school of Milan – Italy in MAY 2010. The work is about the combustor tiles in the combustors of Trent 500, 1000 and XWB engine. The pedestals in tiles have the important duty to provide cooling for the combustor walls, using relatively cold air, between the combustor chamber, which is the hot part, and the external annulus. The cold air stream comes from the last stages of the compressors. Using tiles with conical pedestals instead of flat tiles there is an increasing of the area of interface between wall and fluid; therefore there is an obvious increase of the heat flux exchange. Thus more heat can be taken from the hot side, and the structural integrity of the structure is assured. It is important to predict the exact heat rate exchange. The issue is that these tiles distort under thermal, pressure and mechanical loads. The distortion of the tile, and so of the conical pedestals, has an adverse effect on cooling, so distortion has to be finely predicted with a tight tolerance. For time consumption reasons, tiles are usually modelled as flat panels in the whole combustor models. However this causes an underestimation of the tile stiffness, since pedestals add some stiffness to the whole tile. Therefore, using flat panels, for a given load or pressure, distortion is over-predicted. In order to get more realistic distortions we need to have more realistic tile stiffness, and in order to do that, I studied tiles with pedestals, and attempted to find a corrective factor that could be put on a flat tile model in order to have the same stiffness of a tile with pedestals, and therefore more realistic. In my work I created an optimization cycle using the software I-Sight. First of all, I created a geometric model of a tile with pedestals using the software NX4. The model was parametric, in terms of five parameters: height of the pedestals, cone angle, pitch, radius of the cones and fillet radius. I-sight automatically changed the geometry of the pedestals in the tile by changing the value of these five parameters. After loading the tile with a moment, I-Sight loaded the Rolls-Royce structural software SC03 and performed a structural analysis. After the analysis, I-Sight loaded the result file and stored the average displacement of the tile in his own matrix. I performed 400 runs, each run having the geometry model slightly different in term of the five factors. Thus I was able to find, through the statistical software Minitab, a corrective factor that linked the stiffness of the real tile (with pedestals) to the stiffness of a tile without pedestals, in function of the fine changing parameters. Therefore, a flat pedestal can now be still used in the overall model of the combustor, but the stiffness is corrected, taking account of the effect of the real tile (with pedestals). So we accomplish the double advantage of having a computing light model (using flat tiles) but with a “real stiffness” (considering the pedestals).

Il lavoro svolto verte sulle piastrelle termiche dei combustori a gas dei motori aeronautici turbofan di ultima generazione. Le piastrelle sono di una particolare lega di nickel-cobalto resistente alle alte temperature. Queste piastrelle (vedi figure 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4) sono formate da uno strato di TBC (Thermal Barrier Coating) sul lato che vede la fiamma, mentre nel lato interno sono provviste di serie di piccoli piedistalli. Aria relativamente “fredda” viene inviata dal compressore di alta pressione allo scopo di raffreddare ad arte le pareti del liner, al fine di assicurare l’integrita’ fisica dello stesso durante tutta la vita del motore (tipicamente 25.000 voli). Parte di quest’aria di raffreddamento si inserisce, tramite piccoli forellini, all’interno delle piastrelle (o tiles) dove, prima di uscire all’interno del liner per fornire il film di raffreddamento, lambiscono le pareti di questi coni. I coni hanno lo scopo di massimizzare il trasferimento di calore dai coni stessi (caldi) verso il fluido di raffreddamento. Si vuole massimizzare, cioè, il calore trasferito secondo l’equazione 3.2. Nella modellazione dell’intero combustore si provvede oggi a rappresentare le tiles come piatte (flat tiles) invece che come piastre con i piedistalli (vedi figure 2.1 e 2.2). In questo modo il modello è più leggero e le analisi termo-meccaniche sono molto più veloci. Il problema che nasce è che, modellando le piastrelle come piatte, si sottostima la rigidezza delle stesse, e quindi si sovrastima la deformazione sotto determinati carichi. D’altra parte, utilizzare piastrelle con una miriade di piedistalli significherebbe rendere le analisi molto più pesanti. Il mio compito e’ stato quello di confrontare due modelli di piastrella: un con ed uno senza i piedistalli, e determinare un fattore correttivo da applicare alla piastra senza piedistalli in modo tale da simulare la rigidezza reale, e quindi poter simulare la presenza dei piedistalli implicitamente (vedi figura 2.3 e 2.4). Il fattore correttivo deve essere in funzione dei cinque parametri geometrici dei piedistalli (lunghezza, angolo di apertura dei coni, raggio del piedistallo, distanza dei piedistalli e raggio di raccordo).