Experimental investigation and numerical modelling of ice shedding from jet engine fan blades

Aeronautical engines design is becoming very challenging. These devices have to satisfy the performance requirements agreed with the customer, together with the constraints superimposed by the authorities about emissions and safety. In order to meet these requirements it is necessary to rely on accurate and complex simulation software; an experimental-oriented design would lead to a unacceptable waste of resources and time. For these reasons experimental tests are carried out mainly to demonstrate the compliance of the engine with the regulations. Among all the tests that the engine has to withstand, the most challenging are the impact ones (F.O.D.). These tests take into account the damage that could be caused by the impact of solid bodies, but also the consequences related to the ingestion of smaller particles, like water droplets. Water ingestion is a severe threat not only because it could lead to engine shutdown, but also because of the icing hazard. While flying through subzero temperature regions, water droplets could be found in a non-equilibrium condition (S.L.D.) in which the impact on a cold metal component could lead the water to a sudden freezing. The engine itself becomes as a nucleation device, starting ice accretion on every engine’s surface exposed to SLD. Ice growth will continue until the loads (aerodynamic or inertial) on the system will cause the ice to break, with a consequent shedding of ice slabs. Because of the increasing engines’ dimensions, kinetic energy related to these slabs is increasing too, emphasizing the importance of this phenomenon. This writing is strictly related to the development of a numerical method to predict ice accretion, focusing mainly on experimental data analysis. The aim of the method is to predict ice failure regions; the directions gathered from this activity will be used to gain further comprehension of the icing phenomena in order to achieve a more robust design. Moreover the method could be used to understand the effects that various geometries and materials have on ice accretion/shedding cycles.

La progettazione dei motori aeronautici affronta sfide nuove e sempre più ardue. Tali macchine devono rispettare i vincoli progettuali imposti dall’acquirente , e al tempo stesso soddisfare le normative vigenti in materia di sicurezza e di emissioni. Per raggiungere tali obiettivi è indispensabile avvalersi di software di simulazione sempre più precisi e sofisticati; un approccio prevalentemente sperimentale comporterebbe infatti un dispendio non accettabile di tempo e risorse ed è oggi impiegato principalmente per provare la conformità del prodotto alle normative vigenti. Fra i vari test che il motore deve sostenere, i più gravosi sono quelli di tolleranza agli agenti esterni (F.O.D.) che impattando possono danneggiare il motore; tuttavia anche l’ingestione di particelle di dimensioni minori, come le gocce d’acqua, può diventare una minaccia. La criticità di questa situazione non è solo legata al rischio di spegnimento del motore, ma anche alla formazione di ghiaccio sulle superfici interne al propulsore. Durante l’attraversamento di zone con temperature inferiori al punto di congelamento, le gocce d’acqua possono trovarsi in una situazione di non equilibrio (S.L.D.) nella quale una minima perturbazione può portare ad un passaggio di stato tanto più rapido tanto minore è la temperatura. Il motore stesso diventa quindi mezzo di nucleazione, originando accrescimento su tutte le superfici bagnate; la formazione di ghiaccio continuerà fino a che le forze (aerodinamiche ed inerziali) agenti sul sistema non costituiscano causa di rottura, con conseguente distacco di frammenti di ghiaccio (Shedding). A causa delle crescenti dimensioni dei propulsori, l’energia cinetica di tali frammenti aumenta costantemente, conferendo al fenomeno un’importanza sempre maggiore. Questo lavoro di tesi si inserisce nello sviluppo di un metodo numerico per la predizione dell’accrescimento, focalizzandosi nella prima parte sull’analisi dei dati sperimentali, e nella seconda parte sulla modellazione numerica. L’obiettivo di tale metodo è la predizione della rottura del ghiaccio; le indicazioni ottenute sull’efficienza di diverse geometrie e materiali realizzativi saranno la base per una nuova filosofia di progetto.