Le rendement des turboréacteurs peut être amélioré en minimisant le jeu aube-carter, réduisant ainsi les pertes aérodynamiques. Ces jeux réduits occasionnent des risques de contact entre les aubes en rotation à grande vitesse et le carter moteur. Des matériaux sacrificiels, appelés matériaux abradables, sont alors déposés sur le carter pour limiter les endommagements induits par ces contact. Ces interactions font intervenir un grand nombre de mécanismes d’endommagement bénéfiques ou néfastes au bon fonctionnement du joint abradable et à la fiabilité du moteur. L’objectif de cette thèse est alors de comprendre, prédire et quantifier les différents endommagements et les efforts d’interaction associés pour des matériaux abradables obtenus à l’aide de paramètres procédés différents. Un dynamomètre triaxial a été développé afin de reproduire l’interaction locale entre l’extrémité de l’aube et le matériau abradable à très grande vitesse (50 – 300 m/s) lors de phases transitoires. La mesure d’efforts d’interaction lors de contacts de très courte durée (300 µs – 1 ms) nécessite une bande passante importante. Une méthode de correction basée sur l’analyse modale expérimentale a été mise en œuvre afin d’étendre la bande passante naturelle du dynamomètre et d’atténuer les couplages entre les différentes voies de mesure. Les mécanismes d’endommagements des abradables ont été étudiés à partir d’analyses post-mortem et corrélés aux efforts et vitesse d’interactions / The turbofan efficiency can be improved by minimizing the blade-casing gap, thus reducing the aerodynamic loss. The reduced gap conduces to contact risk between the high-speed rotating blades and the engine case. Sacrificial materials, called abradable materials, are deposited on the casing to limit the damage caused by these contacts. These interactions involve a lot of damage mechanisms, which can be adverse or beneficial to the proper performance of the abradable seal and to the reliability of the engine. The aim of this thesis is to understand, predict and quantify the different damages and the interaction forces associated for abradable materials obtained with different process parameters. A triaxial dynamometer was developed to reproduce the local high-speed interactions (50 – 300 m/s) between the blade tip and the abradable material during transitional phases. The interaction forces measurement during short-lived contacts (300 µs – 1 ms) requires a large bandwidth. A correction method based on experimental modal analysis was implemented to extend the natural bandwidth of the device and attenuate the crosstalk between the different measurement channels. The damage mechanisms of abradable materials were studied by post-mortem analysis and correlated to the interaction forces and velocity

Les aubes TuHP équipant le M88 subissent des contraintes thermomécaniques extrêmes qui provoquent l’amorçage et la propagation de fissures. Ces fissures peuvent évoluer rapidement et devenir critiques pour la sécurité. Actuellement, ces aubes sont inspectées in-situ au moyen d’un endoscope ou d’un vidéoscope dans le domaine du visible. Cependant, ce mode d’inspection par voie visuelle laisse souvent planer un doute sur la présence ou non d’une fissure ou sur sa criticité. Le démontage du module pour une inspection approfondie au microscope est alors nécessaire,augmentant le coût et le délai de la maintenance.L’objectif de la thèse est double. Il s’agit d’une part de valider un nouveau moyen de détection, sans démontage, de la fissuration des aubes HP en complément de l’inspection visuelle classique in-situ, et d’autre part d’utiliser les données expérimentales pour simuler la propagation d’une fissure et évaluer le caractère prédictif du modèle utilisé (direction et vitesse de propagation). La solution proposée pour réduire, voire supprimer le démontage des aubes, consiste à détecter les fissures par thermographie active flying spot dans le très proche infrarouge, de 1 à 2 microns (bande SWIR) au travers d’un endoscope classique. Le premier volet de la thèse a consisté à mettre au point le dispositif flying spot dans une configuration représentative d’un endoscope, puis à valider ce procédé d’inspection par des essais sur des aubes TuHP en retour d’expérience.Le deuxième volet de la thèse est davantage tourné vers la simulation. Le travail a tout d’abord consisté à intégrer un modèle de propagation de fissures en régime de fatigue prenant en compte les effets du temps et de l’environnement, dans le code de calcul par éléments finis ZeBuLon. Ce modèle a ensuite été utilisé pour simuler la propagation de fissures dans des aubes TuHP soumises à des cycles de chargement et de température complexes et représentatifs d’une mission réelle. La dernière partie du travail a consisté à comparer les résultats des simulations numériques avec les observations réalisées sur des aubes TuHP en retour d’expérience, afin d’évaluer le caractère prédictif du modèle de propagation pour cette application (direction et vitesse). / High pressure turbine blades undergo heavy thermomechanical constraints which drive initiation and propagation of cracks. These cracks may propagate rapidly and become critical for safety. The inspection of blades is currently conducted with endoscopes or videoscopes in the visible range. However, this kind of control is not sufficient to distinguish a crack from a surface defect, and it can be difficult to assess the criticality of a crack. In these cases, the dismantling of the engine for an accurate inspection with a microscope is necessary but this operation is time consuming and costly.This study has two aims. The first aim consists in validating a new inspection system complementary to the observations in the visible range. The second aim consists in using the experimental results to simulate the propagation of a crack and evaluate the ability of the model to predict the trajectory of a crack in a blade.The proposed solution to improve the detection of cracks in situ was to use the flying spot active thermography process in the SWIR range (1-2μm – short wavelength infrared) through a classical endoscope. The first aim of the experimental work was to develop the flying spot process to work on an industrial endoscope, and to validate it with tests on a series of cracked blades. The second part of this study is focused on the numerical simulation of the cracks. First, this work consisted in integrating a fatigue crack propagation model which takes into account the effects of creep and oxidation, in the finite element software ZeBuLoN. Then, this model was used to simulate the propagation of a crack in blades undergoing a complex load and thermal cycle representative of a real aircraft mission. The last part of this work consisted in comparing the numerical results with the experimental observations on cracked blades, to check the ability of themodel to predict the direction and the velocity of a crack in a blade.

Les ensembles turbo-alternateurs des centrales électriques sont de grandes machines tournantes de plus de 50 mètres de long et de plusieurs centaines de tonnes. Lors du fonctionnement normal d'une telle machine, une probabilité non nulle existe d'un détachement accidentel d'une aube. Dans une telle situation, un balourd important est généré et du contact apparaît entre les parties tournantes et non tournantes de la machine. Il est alors capital de pouvoir simuler efficacement la dynamique de ce type d'évènement faisant intervenir de fortes non linéarités dans le système. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (SImulation et maîtRise des rIsques en coNception des mAchines tournantes) et en particulier entre le LaMCoS (LAboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures) de l'INSA de Lyon et le département AMA (Analyses Mécaniques et Acoustiques) d'EDF R et D à Clamart. Elle a pour objectif de mettre au point une technique rapide de simulation du comportement des lignes d'arbres de machines tournantes en cas de présence de non linéarité de type contact entre rotor et stator. Pour atteindre cet objectif, une double démarche a été mise en place. La première consiste à mettre au point des modèles simplifiés afin de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. De surcroît, une technique de réduction de modèle adaptée au cas de non linéarité localisée est utilisée afin de réduire encore plus la taille du système à résoudre. La seconde démarche consiste à mettre au point une technique de résolution rapide du système réduit afin d'obtenir la solution encore plus rapidement. Pour cela, au lieu d'utiliser les traditionnelles techniques d'intégration temporelle directe, c'est la méthode de la balance harmonique qui est mise à profit. Cette technique permet d'obtenir directement la réponse stabilisée du système grâce à une résolution des équations dans le domaine fréquentiel. Dans ce cadre, une maquette numérique a été mise au point mettant en oeuvre les fonctionnalités citées. Cette dernière permet de reproduire les phénomènes physiques périodiques ainsi que quasi-périodiques et de déterminer leur stabilité. Des études paramétriques sur des exemples de problèmes de contact rotor-stator viennent illustrer cette démarche. Enfin, une application sur un cas industriel de groupe turbo alternateur EDF est présentée. / Power plants turbo-generator sets are large rotating machines of more than 50 meters long and weight several hundred tons. During normal operation of such a machine, there is a nonzero probability of an accidental disconnection of a blade. In such a situation, a significant imbalance is generated and contact may occur between the rotating and non-rotating parts. It is therefore essential to be able to effectively simulate the dynamics of this type of event involving strong nonlinearities in the system. This PhD was conducted within the framework of the ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (Simulation and risk control in rotating machinery design) and in particular between the LaMCoS (LAboratory of Contact Mechanics and Structures) of the INSA Lyon and the AMA department (Mechanical and Acoustic Analysis) at EDF R and D in Clamart. It aims to develop a fast technique for simulating the behavior of shafts of rotating machinery in case of presence of non-linearity of contact between rotor and stator. To achieve this goal, a dual approach was implemented. The first is to develop simplified models to reduce the number of degrees of freedom of the problem. In addition, a model reduction technique suitable for the case of localized nonlinearity is used to further reduce the size of the system to be solved. The second approach is to develop a technique for efficient resolution of the reduced system to obtain the solution more quickly. To do this, instead of using the traditional direct temporal integration techniques, the harmonic balance method is put to use. This technique allows to directly obtain the stabilized response of the system thanks to a resolution of the equations in the frequency domain. In this context, a numerical model has been developed to implement the features mentioned. The latter allows to reproduce the physical periodic and quasi-periodic phenomena and to determine their stability. Parametric studies of examples of problems of rotor-stator contact will illustrate this approach. Finally, an application on an industrial case of turbo generator EDF is presented.

Le rendement des compresseurs aéronautiques est amélioré en minimisant le jeu entre les aubes en rotation et le carter qui les entoure, réduisant ainsi les fuites aérodynamiques. Ce jeu réduit occasionne des contacts entre les aubes et le carter ; afin d’assurer leur intégrité mécanique, le carter est revêtu d’un matériau abradable sacrificiel, lequel accommode les incursions d’aube. Les interactions aube – revêtement abradable couplent des phénomènes tribologiques et vibratoires à haute vitesse et à haute température, dont l’étude expérimentale est requise pour le développement de modèles numériques prédictifs. L’objectif de cette thèse est d’identifier expérimentalement la force et les mécanismes d’interaction aube-abradable AlSi-Polyester dans une configuration d’essai représentative du fonctionnement des étages de compresseur basse-pression. Des méthodes couplées expérimentales - analytiques, prenant en compte la dynamique d’aube, ont été développées afin d’accéder à la force d’interaction et à l’incursion aube-abradable. L’influence de la température, de la nuance du matériau abradable et de la raideur d’aube a été étudiée. Les mécanismes d’usure et d’endommagement du revêtement abradable ont été investigués et corrélés aux conditions d’interaction. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire de Mécanique de Lille, SNECMA Villaroche (groupe SAFRAN) et le centre ONERA de Lille. / Minimizing the clearance between turbofan blades and the surrounding casing is a key factor to re-ducing leakage flows and consequently improving efficiency. The tight clearance may lead to blade-casing interactions. An abradable coating is deposited on the casing to accommodate blade incursions and thus to protect the blades and the casing from severe damage. Blade/abradable-coating interactions involve tribological and vibratory phenomena at high velocity and temperature. Experimental knowledge of these interactions is paramount to the proper design of abradable materials and the prediction of their lifetimes through numerical simulations. The purpose of this thesis is to identify experimentally the force and the mechanisms occuring during interaction between a vibrating blade and an AlSi-Polyester abradable coating. To this end, experiments were conducted on a dedicated test rig, in conditions representative of low-pressure compressor situation. Specific methods involving dynamical measurements and analytical models have been developed in order to obtain the blade/abradable-coating interacting force as well as the blade tip incursion. The influence of temperature, coating nature and blade stiffness has been studied. The interaction mechanisms and wear of the abradable coating have been investigated and correlated with the interaction conditions. This work was achieved within the framework of cooperation between Laboratoire de Mécanique de Lille (France), SAFRAN-SNECMA (France) and ONERA, the French Aerospace Lab.