Analysis and modeling of non-synchronous aeroelastic phenomena in an axial multistage compressor

Cette thèse porte sur l’analyse et la modélisation des phénomènes aéroélastiques non-synchrones dans un compresseur axial multi-étages de recherche représentatif d’un turboréacteur d’hélicoptère. Lors de son fonctionnement à vitesse partielle, les structures de l’écoulement sont complexes. Elles conduisent au développement de nombreux phénomènes instationnaires. Sous l’effet de cette aérodynamique délicate, les pales des rotors peuvent développer une réponse vibratoire sur un des modes propres de la structure. Ces vibrations non-synchrones entraînent ainsi une fatigue prématurée de la structure, ou sa rupture. Les couplages qui se créent entre les phénomènes aérodynamiques et la structure, en dehors des phénomènes de réponse forcée synchrone et de flottement, sont peu connus. L’enjeu de ces travaux est d’améliorer la compréhension et la prédiction de ces vibrations critiques.Lors d’une campagne d’essais inscrite dans le projet PRC AEROVISTA menée par Safran Helicopter Engines, une plage d’activité vibratoire non-synchrone a été caractérisée à l’aide d’une instrumentation multi-physique. L’analyse approfondie de ces données révèle la présence d’un phénomène aérodynamique non-synchrone qui est cohérent avec un mode propre de structure. La caractérisation de ce phénomène effectuée par une analyse croisée des données mesurées à la fois dans le repère fixe et dans le repère tournant montre qu’il est de nature acoustique. La cohérence entre le mode mécanique et ce mode acoustique n’est pas observée dans tous les essais. Lors du changement de ses caractéristiques, l’interaction disparaît alors que le mode acoustique subsiste.Des simulations instationnaires de toute la circonférence et de tous les étages sont nécessaires pour reproduire ce phénomène. Elles sont validées en comparant les performances à celles mesurées en essais. Dans la zone d’activité non-synchrone expérimentale, la simulation développe un mode acoustique. Son amplitude est élevée et ses caractéristiques sont cohérentes avec celles observées en essai. La confrontation de ces données numériques avec les données expérimentales montre une bonne reproductibilité du phénomène. L’analyse de l’écoulement issu des simulations identifie les structures de l’écoulement qui permettent l’émergence du mode acoustique. L’étude analytique des conditions de propagation de ce mode se révèle prometteuse dans la prédiction des modes critiques.This Ph.D. thesis focuses on the analysis and modeling of non-synchronous aeroelastic phenomena in a research axial multi-stage compressor for helicopter engines. When operating at part-speed conditions, flow structures are complex, thus facilitating the development of various unsteady phenomena. Under those particular aerodynamic conditions, the rotor blades can develop a structural vibration mode which eventually lead to premature fatigue or critical failure. Non-synchronous vibrations differ from flutter, buffeting or synchronous forced response. This aeroelastic phenomenon is still an ongoing research subject. The main objectives of this work are not only to participate in improving the prediction of this complex fluid-structure interaction but also to progress towards its understanding. Transient measurements were carried out during a test campaign led by Safran Helicopter Engines as part of the PRC AEROVISTA project. It has revealed a zone of strong non-synchronous activity in the operating range of the compressor. In-depth analysis of the multi-physical instrumentation on the investigated speedline indicates a coherence between an aerodynamic perturbation of acoustic nature and a structural vibration mode. However, this coincidence is not observed throughout the whole experiment. A change in operating conditions induces a change in the acoustic mode properties. As a consequence, the interaction stops even though the acoustic mode remains significant.Unsteady full-annulus calculations of the entire compressor are implemented to simulate this phenomenon. The numerical performance is validated against experimental performance. The unsteady simulation develops an acoustic mode, the properties of which agree remarkably well with the experiment. The flow structures leading to the acoustic perturbation are well captured and critical acoustic modes can be derived from an analytical study of the propagation conditions of acoustic modes. This stands as a promising perspective for the numerical prediction of critical acoustic modes