Investigation of potential dynamic instability resulting from blade casing interaction

In this work, a detailed study on the current techniques used for simulating the interaction between the blade tips and the internal casing wall coating in the compressor stages of aeronautical engines will be presented. This phenomenon, commonly known as blade-casing interaction, represents one of the main subjects of interest of turbomachinery experts community, because it has relevant effects on the engines performances and availability. The first task of the study will consist in identifying and implementing valuable corrections of the existing Fortran code, used by Rolls-Royce plc for the simulations, in order to improve the results reliability. In particular, the previous version of the program considered just linear vibration modeshapes of the aerofoils, without taking the geometric non-linearity induced by large deflections into account. Thus, one of the main modifications that will be inserted in the code regards the possibility of considering also the non-linear characteristic of the modes of vibration of the rotor blades. The study, then, will turn to the analysis of the obtained results by assessing a deeper investigation than the ones presently reported by the scientific literature on the contact dynamics and on the causes that could lead the system to instability. For this scope, another important modification will be put in the software, consisting in the possibility of tracking the instantaneous evolution of the liner material wear on the inner casing wall. The study will have as primary task, the characterization of the strong non-linearity of the dynamical system, deriving from the contact loads due to the interaction between blade tips and the abradable material covering the casing.

In questo lavoro verrà presentato un studio dettagliato sulle tecniche attualmente utilizzate per studiare l'interazione fra l'estremità della paletta e il rivestimento interno del casing negli stadi di compressione di motori aeronautici. Tale fenomeno, comunemente conosciuto come blade-casing interaction, rappresenta una della principali materie di interesse della comunità di studiosi di turbomacchine, in quanto ha effetti rilevanti sulle performance e affidabilità dei motori. Il primo obiettivo dello studio consisterà nell'individuare e implementare valide correzioni del codice Fortran esistente, utilizzato da Rolls-Royce plc per le simulazioni, al fine di migliorare l'attendibilità dei risultati. In particolare, la precedente versione del programma considerava solo modi di vibrare lineari delle palette, senza tenere conto della non-linearità geometrica indotta da elevate deflessioni. Pertanto, una delle principali modifiche che verranno inserite nel codice riguarda la possibilità di considerare anche la caratteristica non-lineare dei modi di vibrare delle palette rotoriche. Lo studio, dopo di che, verterà su un'analisi dei risultati ottenuti attraverso un'indagine più profonda rispetto a quelle attualmente riportate dalla letteratura scientifica sulla dinamica del contatto e sulle cause che potrebbero portare il sistema all'instabilità. Per tale scopo, verrà inserita nel software un'altra importante modifica consistente nella possibilità di tracciare l'evoluzione istantanea dell'usura del materiale di rivestimento della parete interna del casing. Lo studio avrà come obiettivo primario la caratterizzazione della forte non linearità del sistema dinamico derivante dalle forze di contatto, dovute all'interazione fra le estremità delle palette e il materiale abradibile che riveste il casing.