Note publique d'information : Le constant besoin d’amélioration de l’efficacité et d’allègement des turbomachines
demande aux constructeurs des efforts permanents pour ouvrir les domaines de conception.
En particulier, les jeux fonctionnels entre les parties fixes et tournantes des turbomachines
modernes sont de plus en plus réduits, permettant des diminutions substantielles des
pertes de rendement. Toutefois, l’allègement des composants entraîne leur assouplissement,
et donc une importance croissante des phénomènes dynamiques dans le cycle de vie des
structures fixes comme tournantes. L’effet des couplages multi-physiques se retrouve
lui aussi exacerbé, que ce soit celui du couplage thermomécanique ou aéroélastique.
Il est donc, dans ce contexte, nécessaire d’améliorer les outils de dimensionnement
de façon à prévoir plus précisément le cycle de vie des composants des moteurs, afin
de réduire les coûts de développement, tout en augmentant leur sûreté de fonctionnement
et donc la sécurité des passagers. Cette thèse s’est inscrite dans la continuité de
travaux précédents sur le sujet du contact aubes–stator. À savoir, introduire plus
de physique dans les modèles numériques en tenant compte de phénomènes et de géométries
de plus en plus complexes. L’objectif principal a été d’introduire la modélisation
de phénomènes thermiques dus aux évènements de contact, intervenant à l’interface
entre les pièces fixes et tournantes, en se basant sur des géométries industrielles
installées sur un banc d’essais. Cependant, l’introduction de cette nouvelle physique
dans les modélisations devait être faite en tenant compte des contraintes de simulation
sur des systèmes complexes, c’est-à-dire en trouvant un compromis entre vitesse et
précision des calculs. Enfin, une phase de corrélation entre ces simulations et des
essais sur banc était à effectuer, pour s’assurer de la pertinence des outils de dimensionnement
mis en oeuvre. Durant cette thèse, une adaptation et une ré-instrumentation du banc
d’essais CASTOR (Contact Aubes StaTOR) ont d’abord été effectuées. Plusieurs essais
de contact sur banc ont ensuite été réalisés en mesurant les comportements vibratoires
et thermiques des parties fixes et tournantes. Puis, des travaux menés en parallèle
ont porté sur la réduction de modèles éléments finis décrivant le comportement thermomécanique
d’éléments de compresseurs centrifuges de turbomachines aéronautiques. Par ailleurs,
plusieurs méthodologies d’intégration temporelle des problèmes de contact, conventionnellement
utilisées dans un cadre purement mécanique, ont été évaluées dans un cadre de simulation
thermomécanique pour s’assurer de leur capacité à fonctionner pour ce type d’études.
Certaines difficultés ont été levées en exploitant des méthodes numériques issues
de la communauté scientifique traitant de la dynamique non-régulière. Enfin, des simulations
ont été effectuées avec divers paramétrages pour montrer à la fois les capacités de
l’outil développé, et confronter les résultats numériques aux observations expérimentales.
Note publique d'information : The constant need for efficiency and lightweightness of aeroengines demands OEM continued
efforts to open design domain. In particular, operations clearances between static
and rotating parts of modern engines become narrower, leading to better efficiencies.
However, lighter components generally have lower stiffnesses, causing a growth in
dynamic phenomena participation in the engines life-cycle. Mutli-physics coupling
effects are aggravated in the same manner, whether they are of thermomechanical or
aeroelastic nature. In this context, it is therefore crucial to improve design tools
so as to predict more accurately the operational conditions of the engine components,
with a general objective to cut down development and operational costs, while ensuring
engine reliability and passenger safety. This thesis closely follows previous work
on blade–casing contacts, all aimed at modelling more accurately the underlying more
and more complex phenomena and structures. The main objective of this work has been
to introduce a model for the thermal phenomena occurring during contacts at the interface
between rotating and static parts, based on industrial geometries of components, which
are set in a test rig. Due to the sophistication of the parts, the addition of these
phenomena in the model had to be performed while paying attention to high simulation
constraints. In other words, a trade-off had to be found between speed and precision
of the computations. Finally a correlation phase was to be performed between simulations
and experimental trials was to be performed to assess the relevance of the proposed
numerical tools. During this thesis, a modification and a new instrumentation of the
CASTOR test rig were performed. Multiple contact trials were carried out, during which
vibratory and thermal behavior of the components were measured. In parallel to these
experimental operations, multiple numerical developments were tackled. Among them,
a model reduction methodology of thermoelastic models of turbo-engine centrifugal
compressors was developed. Also, multiple time-stepping procedures, originally dedicated
to solve contact problems in a purely mechanical context, we extended to perform thermomechanical
computations. Several complications were removed taking advantage of advanced methods
stemming from the non-smooth dynamics community. Eventually, simulations were performed
with diverse setups to both show the capabilities of the numerical tool as well as
confront numerical results and experimental observations.
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