Burst prediction of an unducted fan rotating frame

Abstract

A burst study is a study where the stresses and strains of a component are investigated while in rotation. This Master's thesis studies burst of a component of the Clean Sky JTI governed and funded project called SAGE2. The SAGE2 is a Counter-Rotating Open Rotor (CROR) concept that will have a flight test in 2015. The burst of the CROR engine Rotating Frames (RFs) is studied.

First the process concentrates to understand how the three loads (rotational speed, torque or axial load) affect the model in a heated environment. After the conclusions of the stress study, the process continues with elastic burst margin calculations. The burst margin calculation methods are proven with disc designs, since in GKN Aerospace has been done many disc burst studies in the past. The methods used previously are implemented on the Forward Rotating Frame (FRF).

The result of the burst margin study shows that the elastic burst margin methods are not applicable on a complicated design such as the RFs. The methods to calculate elastic burst margin, are proven to be useless due to a complicated design of the component. The Rotating Frames are not like blisks or discs that the elastic calculation methods are designed for.

Finally, the elastoplastic method based on the Rice and Tracey Burst Safety Margin is proven to be the only option to study burst margin from the methods available. When regarding burst, it is found that the FRF is not in danger due to the loads created by the rotating engine, not even with overspeed phases. The Rear Rotating Frame (RRF) is loaded with smaller loads. Thus, the RRF is neither in danger of bursting.

Tutkimus kappaleen pyörimisestä johtuvasta repeämästä on tutkimus, jossa selvitetään jännitykset ja venymät. Eräs kappale Clean Sky JTI:n johtaman ja rahoittaman projektin nimeltä SAGE2 on tämän diplomityön tutkimuksen aihe. SAGE2 on Counter-Rotating Open Rotor (CROR; vastakkaisiin suuntiin pyörivät kotelottomat roottorit, eli toisin sanoen työntöpotkurit) -konsepti, joka tullaan koestamaan vuonna 2015. Tässä diplomityössä tutkitaan kyseisen CROR -konseptin pyörivää runkoa.

Ensin prosessi keskittyy ymmärtämään miten pyörivää runkoa rasittavat kolme kuormaa (pyörimisnopeus, vääntömomentti tai aksiaalikuorma) vaikuttavat tähän kappaleeseen kuumassa ilmavirrassa. Tämän selvityksen johtopäätösten jälkeen prosessi jatkuu repeämän elastisen marginaalin tutkimuksena. Repeämän marginaalin tutkimusmetodit on todettu toimiviksi turbiinikiekkojen tutkimuksissa, silla GKN Aerospace on tehnyt useita turbiinikiekkojen repeämätutkimuksia menneisyydessä. Aiemmissa tutkimuksissa löydetyt metodit sovelletaan CROR -konseptin etummaiseen pyörivään runkoon (FRF).

Elastisen marginaalin tutkimukset todetaan olevan hyödyttömiä kappaleen monimutkaisuudesta johtuen. Pyörivät rungot eivät ole kuten bliskit tai turbiinikiekot, joille elastisen marginaalin tutkimukset on suunniteltu. Lopulta elastoplastinen metodi, joka perustuu Rice ja Tracey -repeämäturvallisuusmarginaaliin todistetaan olevan ainut vaihtoehto repeämätutkimuksen toteuttamiseksi tarjolla olevista vaihtoehdoista.

Johtopäätös diplomityön seurauksena on, että etummainen pyörivä runko ei ole vaarassa revetä moottorin siihen kohdistamilla kuormilla edes moottorin käydessä ylikierroksilla. Taaempaan pyörivään runkoon (RRF) vaikuttavat kuormat ovat pienempiä kuin etummaiseen runkoon vaikuttavat. Siten, myöskään taaempi pyörivä runko ei ole vaarassa revetä pyöriessään moottorin mukana.