Note publique d'information : Dans les machines tournantes, les joints labyrinthes sont utilisés à plusieurs niveaux
(turbine, compresseur) pour limiter les fuites et les phénomènes de recirculation
entre les zones hautes pressions et les zones basses pressions. Ces composants sont
donc critiques pour les performances du moteur. Ils opèrent sans contact, par perte
de charge, en minimisant les jeux radiaux entre parties fixes et parties tournantes
de la machine. De plus, l’épaisseur du stator est réduite pour obtenir des géométries
légères. Ces contraintes de conception mènent à l’apparition d’instabilités aéroélastiques
qui constituent un risque pour l’intégrité des parties internes du moteur (fissuration,
rupture). Pour éviter ces problématiques, il est nécessaire de disposer de modèles
prédictifs. Si des critères existent, peu de données expérimentales permettent de
valider et recaler ceux-ci aujourd’hui. L’objet de ce travail est double : il s’agit
d’abord de mettre en place un dispositif expérimental spécifique à l’étude d’instabilités
aéroélastiques de joints labyrinthe et de réaliser des essais de stabilité pour constituer
une base de données expérimentale suffisamment fournie. D’autre part, le développement
d’un nouveau modèle numérique est proposé. Des premiers éléments de comparaison calculs-essais
sont présentés avec les résultats des simulations. Le banc d’essais mis en place est
une reconception d’un premier dispositif expérimental dédié aux instabilités de joints
labyrinthe. Le retour d’expérience, les analyses et optimisations réalisées, les solutions
technologiques choisies ont permis de concevoir et fabriquer un banc d’essais modulaire
et opérationnel pour l’observation et la caractérisation du phénomène. Les forts niveaux
vibratoires relevés pendant les essais ont pu être associés à des instabilités aéroélastiques.
Les analyses des campagnes d’essais ont permis de mettre en évidence deux paramètres
d’influence : le débit massique et l’amortissement structural du stator. Le modèle
d’écoulement est basé sur les équations de Navier-Stokes et prend en compte les variations
de température au sein du joint labyrinthe. La cinématique du stator est décrite par
une théorie de coque cylindrique. Le système global fluide-structure obtenu est développé
et linéarisé par la méthode de perturbation. La résolution du problème bidimensionnel
(temps et espace) se fait par une approche de Galerkin. Les résultats des simulations,
confrontés aux résultats expérimentaux issus des campagnes d’essais, fournissent de
nouvelles perspectives pour l’amélioration et le recalage du modèle et pour des campagnes
d’essais futures.
Note publique d'information : Experimental study of labyrinth seal aeroelastic instabilities Abstract In turbomachinery,
labyrinth seals are used to control the leakage between high-pressure and low-pressure
regions. Therefore, labyrinth seals are key components to reach high performance of
the engine. These non-contact systems generate pressure drops, minimizing radial clearances
between rotating and stationary parts of the structure. Moreover, manufacturers of
sealing systems tend to reduce the thickness of structural parts to get lighter designs.
These new designs could lead to aeroelastic instability issues, which entails fatigue
cracks. To prevent such instability problems, an accurate prediction of the aeroelastic
effective damping is necessary. Stability criteria used in the industry are mainly
based on empirical observations and show limitations ; moreover, the lack of experimental
data can’t allow to validate existing models. This work has a dual objective : firstly,
the design and manufacturing of a specific experimental rig to study labyrinth seal
aeroelastic instabilities and carry out test campaigns to provide a substantial database.
The development of a new analytical model is also proposed. Comparison between numerical
and experimental results are presented in the analyses of the simulations. The developed
test rig is a redesign of a first experimental device dedicated to labyrinth seal
instabilities study. The feedback, analyses and optimisations carried out, the technological
solutions set up allowed to design and manufacture an operational and modular test
rig for the observation and characterisation of the phenomenon. High vibration levels
recorded were associated to aeroelastic instabilities. Test campaigns analyses allowed
to highlight two parameters of influence : the mass flow rate and the mechanical damping
of stator part. Fluid behavior is described by Navier-Stokes equations, using a one
control-volume bulk flow model, and assuming temperature fluctuations. Stator dynamics
equation is written using cylindrical shell theory. The resulting fluid-structure
system is developped and linearized by a perturbation method. The problem resolution
is carried out using a Galerkin approach. Simulations results, compared to experimental
results obtained from test campaigns provide numerous perspectives to get better fidelity
models and to perform new test campaigns.
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