Computational flutter analysis of a transonic axial fan

UHBR(Ultra High By-pass Ratio) turbofan engines represent the current state of the art in aeronautical propulsion. The increased by-pass ratio is accompanied by the replacement of titanium alloys fan blades with composite structures, both metal-metal and metal-polymer. These new blade architectures are more supsceptible to aeroelastic phenomena such as f lutter, which is detrimental for safety and fatigue life. The aim of this thesis was to develop a flutter model of the ECL5 fan rotor blade, a novel reference open-source test case for UHBRfan aeroelasticity. The numerical method was based on nonlinear harmonic balance solution of the unsteady flow field with periodic blade motion. The implementation of the model was preceeded by computational modal analyses to extract vibrational modes of interest of the blade. The first and second modeshapes were analyzed, respectively, at two operating conditions of the fan, near the design point and near stall, varying the maximum deformation amplitude. Both modeshapes showed positive aerodynamic damping at the investigated nodal diameters.

I motori turbofan UHBR (Ultra High By-pass Ratio) rappresentano l’attuale stato dell’arte nella propulsione aeronautica. L’incremento del rapporto di by-pass `e accompagnato dalla sostituzione delle pale del fan in leghe di titanio con strutture composite, sia metallo-metallo sia metallo-polimero. Queste nuove architetture palari sono pi` u sensibili ai fenomeni aeroe lastici, come il flutter, dannoso per la sicurezza e la vita a fatica di questi componenti. L’obiettivo di questa tesi `e stato lo sviluppo di un modello flutter della pala rotorica dello stadio di fan ECL5, un nuovo banco prova di riferimento open-source per l’aeroelasticit`a dei fan degli UHBR. Il metodo numerico si `e basato sul metodo del bilanciamento armon ico non lineare del campo di flusso non stazionario con movimento periodico della pala. L’implementazione del modello `e stata preceduta da analisi modali computazionali per es trarre i modi vibrazionali di interesse della pala. Il primo e il secondo modo di vibrare della pala sono stati analizzati, rispettivamente, in due condizioni operative, vicino al punto di design e vicino allo stallo, variando l’ampiezza massima di deformazione. Entrambi i modi di vibrare hanno mostrato valori positivi di aerodynamic damping per tutti i diametri nodali studiati.