Thermomechanical analysis of blade-casing contacts : numerical and experimental aspects

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.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