A sensitivity analysis on the influence of the external constraints on the dynamic behaviour of a low pollutant emissions aircraft combustor-rig

• Autorzy: Amoroso F. , Fenza A. de , Petrone G. , Pecora R.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0025

Warianty tytułu

PL

Analiza wpływu więzów zewnętrznych na właściwości dynamiczne zespołu samolotowej komory spalania o niskiej emisji zanieczyszczeń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The need to reduce pollutant emissions leads the engineers to design new aeronautic combustors characterized by lean burn at relatively low temperatures. This requirement can easily cause flame instability phenomena and consequent pressure pulsations which may seriously damage combustor’s structure and/or compromise its fatigue life. Hence the need to study the combustor’s structural dynamics and the interaction between elastic, thermal and acoustic phenomena. Finite element method represent a largely used and fairly reliable tool to address these studies; on the other hand, the idealization process may bring to results quite far from the reality whereas too simplifying assumptions are made. Constraints modelling represent a key-issue for all dynamic FE analyses; a wrong simulation of the constraints may indeed compromise entire analyses although running on very accurate and mesh-refined structural models. In this paper, a probabilistic approach to characterize the influence of external constraints on the modal behaviour of an aircraft combustor-rig is presented. The finite element model validation was performed at first by comparing numerical and experimental results for the free-free condition (no constraints). Once the model was validated, the effect of constraints elasticity on natural frequencies was investigated by means of a probabilistic design simulation (PDS); referring to a specific tool developed in the ANSYS®software, a preliminary statistical analysis was at performed via Monte-Carlo Simulation (MCS) method. The results were then correlated with the experimental ones via Response Surface Method (RSM).

PL

Potrzeba redukcji zanieczyszczeń stawia wobec inżynierów wymaganie projektowania samolotowych komór spalania, które charakteryzują się ubogim spalaniem przy relatywnie niskich temperaturach. W tych warunkach mogą łatwo powstawać zjawiska niestabilności płomienia i wynikające stąd pulsacje ciśnienia, które mogą poważnie uszkodzić strukturę komory spalania lub/i zmniejszyć jej trwałość zmęczeniową. Wynika stąd potrzeba studiów nad dynamiką strukturalną komory spalania i interakcjami między zjawiskami termicznymi i akustycznymi. Metoda elementów skończonych jest narzędziem dość niezawodnym i powszechnie stosowanym, odpowiednim do takich studiów. Z drugiej strony, proces idealizacji może prowadzić do wyników, które są bardzo odległe od rzeczywistości, jeżeli w założeniach przyjęto nadmierne uproszczenia. Modelowanie więzów jest sprawą kluczową dla wszystkich analiz dynamicznych metodą elementów skończonych. Błędna symulacja więzów może istotnie zagrozić całej analizie, nawet gdy korzysta się w niej z bardzo dokładnych modeli strukturalnych o udoskonalonej siatce. W artykule zaprezentowano podejście probabilistyczne by scharakteryzować wpływ więzów zewnętrznych na właściwości modalne zespołu samolotowej komory spalania. Najpierw przeprowadzono walidację modelu elementów skończonych drogą porównania wyników doświadczalnych i obliczeniowych w warunkach swobodnych (bez więzów). Gdy potwierdzono prawidłowość modelu, zbadano wpływ sprężystości więzów na częstotliwości drgań własnych stosując metodę probabilistycznego projektowania symulacji (PDS). Korzystając ze specjalnego narzędzia opracowanego w oprogramowaniu ANSYS, wykonano wstępną analizę statystyczną metodą symulacji Monte Carlo (MCS). Jej wyniki skorelowano następnie z wynikami doświadczalnymi stosując metodę powierzchni odpowiedzi (RSM).

Słowa kluczowe

EN

probabilistic analysis; dynamic behaviour; combustor rig; constraints effect; finite element analysis (FEA)

PL

analiza probabilistyczna; właściwości dynamiczne; komora spalania; wpływ więzów; analiza elementów skończonych

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 3
• Strony: 435--454
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Amoroso F.

• Department of Industrial Engineering – Aerospace section University of Naples “Federico II”, Italy

autor

Fenza A. de

• Department of Industrial Engineering – Aerospace section University of Naples “Federico II”, Italy

autor

Petrone G.

• Department of Industrial Engineering – Aerospace section University of Naples “Federico II”, Italy

autor

Pecora R.

• Department of Industrial Engineering – Aerospace section University of Naples “Federico II”, Italy

Bibliografia

• [1] G.J.J. Ruijgrok and D.M. van Paassen. Elements of Aircraft Pollution. Delft University Press, 2005.
• [2] Rolls Royce. The Jet Engine, The Technical Publications Department Rolls-Royce plc, Derby – England, 1996.
• [3] B.H. Jennings and W.L. Rogers. Gas Turbine Analysis and Practice. Dover Publications, New York, 1969.
• [4] M.P. Boyce. Gas Turbine Engineering Handbook, Gulf Publishing, Oxford, 2006.
• [5] www.cleansky.eu (Clean Sky official website).
• [6] T.C. Lieuwen. Static and dynamic combustion stability, chapter 3.1.1. The Gas Turbine Handbook. National Energy Technology Laboratory, pages 197–203, 2006.
• [7] F. Amoroso, A. De Fenza, R. Pecora, V. Cirillo and L. Lecce. Dynamic and acoustic analysis for a low NOx emissions combustor. 20th AIDAA Conference, Milan, Italy, 2009.
• [8] M. Cesare, R. Sues, and Y-T. (Justin) Wu. Probabilistic high cycle fatigue (HCF) of jet engine blades. 19th AIAA Applied Aerodynamics Conference, Paper 81–1259, Anaheim, CA, 2001.
• [9] R.A. Huls. Acusto-elastic interaction in combustion chambers. PhD thesis.University of Twente, Enschede, The Netherlands, May 2006.
• [10] L.L. Beranek. Noise and Vibration Control Engineering. John Wiley & Sons, 2006.
• [11] R.A. Huls, J.F. van Kampen, P.J van der Hoogt, J.B. Kok and A. de Boer. Acoustoelastic interaction in combustion chambers: modeling and experiments, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 130(5):051505, 2008, doi:10.1115/1.2938391.
• [12] Y. Xiong, M. Dede and M. Moscinski. Combustor modeling and design with uncertainties, 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, AIAA Paper 2007–1871, Honolulu, 2007.
• [13] J.P. Den Hartog. Mechanical Vibrations. Dover Publications, 1985.
• [14] W. Weaver Jr., S.P. Timoshenko and D.H. Young. Vibration Problems in Engineering. Wiley-Interscience, 1990.
• [15] ANSYS – Advanced analysis techniques guide.
• [16] R.M. Lin and D.J. Ewins. Model updating using FRF data. In Proceedings of the 15th International Seminar on Modal Analysis, pages 141–162, Leuven, Belgium, 1990.
• [17] W. D’Ambrogio, A. Fregolent and P. Salvini. Updatability conditions of non-conservative FE models with noise on incomplete input-output data. In Proceedings of structural dynamics modelling test, analysis and correlation, pages 29–38, 1993.
• [18] S. Lammens, W. Heylen and P. Sas. Model updating using experimental frequency response functions: case studies. In Proceedings of structural dynamics modelling test, analysis and correlation, pages 195–204, 1993.
• [19] R. Pascual, J.C. Golinval and M. Razeto. Model updating using operating deflection shaps. In Proceedings of XVI international modal analysis conference, pages 12–18, Santa Barbara, CA, 1998.
• [20] C.J. Everett and E.D. Cashwell. A Monte Carlo Sampler. LA-5061-MS Informal Report, Los Alamos Scientific Laboratory of the University of California, 1972.
• [21] E.P.G. Box and N.R. Draper. Response Surfaces, Mixtures and Ridge Analyses. Wiley, 1987.
• [22] P. Erto. Probabilità e Statistica per le Scienze e L’ingegneria (Probability and Statistics in Science and Engineering). 3 edition, McGraw-Hill, 2009 (in Italian).
• [23] G. Petrone, V. D’Alessandro, F. Franco, B. Mace and S. De Rosa. Modal characterisation of recyclable foam sandwich panels. Composite Structures, 113(1):362–368, 2014.
• [24] J.K. Lee and Y.S. Park. Modal parameter estimation in structural system using complex envelope signal. In Proceedings of the 10th IMAC, pages 167–172, San Diego, CA, 1992.
• [25] A. De Fenza, E. Monaco, F. Amoroso and L. Lecce. Experimental approach in studying temperature effects on composite material structures realized with viscoelastic damping treatments. Journal of Vibration and Control, 22(2):358–370, 2016.
• [26] M. Cavazzuti. Optimization methods. From theory to Design Scientific and Technology Aspects in Mechanics. Springer, 2013.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.