L'optimisation du rendement des turboréacteurs impose de limiter les fuites inter-étages et de réduire les jeux de fonctionnement entre le rotor et le stator. Cependant, l'adoption de jeux réduit conduit à des contacts rotor/stator qui peuvent avoir des conséquences désastreuses. Afin de prévenir les effets destructeurs de ces interactions, des revêtements "abradables" sont déposés sur le stator. La compréhension et la modélisation de ces interactions sont primordiales pour permettre la conception de nouveaux moteurs plus efficients et plus surs. Toutefois, la modélisation précise de ces phénomènes réclame des données expérimentales difficiles à obtenir du fait de la complexité de l'interaction, des matériaux mis en jeu et de leurs conditions extrêmes d'utilisation (500 m/s et 300 °C). L'objectif de ces travaux est donc de fournir de nouvelles données expérimentales relatives aux efforts générés lors d'un contact aube/abradable. Une nouvelle technique expérimentale a donc été développée. Elle permet de générer une interaction à très grande vitesse entre un outil représentant l'aube et une éprouvette de matériau abradable et de mesurer les efforts d'interaction. Du fait des très hautes vitesses d'interaction, le dispositif de mesure d'effort est associé à une méthode de correction des signaux. Ce protocole expérimental est appliqué à la caractérisation d'un matériau abradable Metco M601, employé à l'étage basse pression du compresseur dans les turboréacteurs d'avions civils. L'influence sur les efforts d'interaction de la vitesse tangentielle, la profondeur d'incursion ainsi que des caractéristiques géométriques de l'extrémité de l'aube est étudiée / Increasing efficiency of aircraft engines require optimization of the clearance between the rotor and the stator. However, the important thermo-mechanical solicitations undergone by the engines lead to unavoidable high speed interactions between the moving parts and the casing. To achieve reduced clearance without endangering the blading, abradable seals are deposited inside the casing. This coating is designed to wear out in case of contact with the blade tip. Characterization and understanding of the different phenomena which take place during interactions are essential to prevent premature failure and to design safer aircraft engines but accurate modeling of these phenomena requires experimental data which are difficult to obtain because of the extreme conditions in which contacts occur (500 m/s, 300 °C) and of the complexity of the involved materials. The purpose of this work is to provide new experimental data relating to the forces generated during blade-casing contacts. Thus, a new experimental technique has been developed in order to generate high speed interactions between a tool impersonating a blade tip and a sample of abradable material and to measure the interaction forces. Because of the high interaction velocities reached up, a signal correction method has been implemented. Finally, this new experimental technique has been applied on the characterization of the abradable material Metco M601 used in low-pressure compressor of commercial aircraft engines. The influence on the interaction forces of the blade velocity, the incursion depth and the mechanical and geometrical characteristics of the blade tip has been studied

L'utilisation de revêtements abradables pour assurer l'étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d'augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d'aubes de rotor peuvent être à l'origine d'une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d'aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l'usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d'interaction entre l'aube et le revêtement abradable. Elle résulte d'une collaboration entre l'ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique - notamment en dynamique - du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d'une asymétrie du comportement en traction et en compression, l'exploitation en corrélation d'images numériques d'un essai original inspiré de l'essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L'interaction entre l'aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d'aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l'ONERA de Lille

Cette thèse traite de la dynamique non-linéaire multi-contact des ensembles rotor/stator et s’applique en particulier aux tur-bomoteurs d’hélicoptère conçus par Turboméca, groupe Safran. L’amélioration des performances des turbines à gaz pousse les constructeurs à réduire les jeux fonctionnels rotor-stator no-tamment, tout en garantissant robustesse et fiabilité. Cela nécessite de développer des modèles les plus précis possible afin de prévoir et maîtriser des situations à risques telles que les interactions rotor/stator entre les parties fixes et tournantes déclen-chées principalement, dans le cas des turbomoteurs d’hélicoptère, par la perte d’aubes. La partie 1 présente une synthèse bibliographique des principaux phénomènes physiques rencontrés suite à une touche ro-tor/stator en s’appuyant sur l’expérimentation et le calcul. Un bilan sur les différents modèles numériques de gestion du con-tact frottant est détaillé. La dualité entre méthodes temporelles et fréquentielles est aussi abordée comme la méthode de la ba-lance harmonique et les schémas d’intégration temporelle de la famille de Newmark. Il est aussi décrit deux outils d’analyse fréquentielle : le spectrogramme pour analyser l’évolution d’un spectre fréquentiel dans le temps, le full-spectrum pour pren-dre en compte les précessions du rotor. La partie 2 se focalise sur des systèmes dynamiques académiques : un oscillateur forcé à double butées, un rotor de Jeffcott et un rotor à 3 disques avec tous deux une interaction disque/carter. Compte tenu du caractère transitoire du comportement des turbomoteurs, il s’agit de tester des méthodes d’intégration temporelle pas à pas et aussi des lois de contact. Il en ressort que la méthode de Newmark à accélération moyenne, et les lois de contact type « pénalité amortie » combinées à une régularisation de la raideur et de l’amortissement par une fonction arc tangente sont pertinentes. La modélisation de rotor en flexion en ré-gime transitoire et avec plusieurs touches possibles est réalisée avec la méthode des éléments finis et l’intégration des mé-thodes et techniques précédentes. L’ensemble de la modélisation est mise en œuvre sous l’environnement Matlab et se traduit au final par un logiciel nommé ToRoS (Touche Rotor-Stator). Le turbomoteur de l’Ardiden 1H fait l’objet de la dernière partie. Le logiciel ToRoS développé est utilisé pour prévoir la dyna-mique transitoire de sa turbine libre soumise à de multiples touches, consécutifs à un départ d’aubes. Les lois de contacts ap-pliquées dépendent du type de contact : disque/carter, labyrinthe/stator, palier/butée. Durant la descente en vitesse, la ligne d’arbre adopte, en fonction du niveau de balourd, de la vitesse de rotation, des paramètres du contact et du frottement, un comportement avec un contact quasi-permanent en précession directe. / This PhD thesis deals with the nonlinear transient dynamic response of rotor/stator assemblies in the case of multi-contacts, it is applied on Turbomeca’s helicopter turbo-engine. In order to improve gas turbine performances, constructors have to reduce rotor/stator clearances, while continuing to maintain component’s reliability, durability and safety. It implies the development of models to predict and control unsafe situations as, rotor/stator interactions between fixed and rotating parts, mainly triggered by a blade-loss in helicopters turbo-engine case. The first part of this document is concerned with a bibliographical summary of the main physical phenomena observed after a rotor/stator interaction, this is supported by experiments and numerical calculations. A review of the various sliding contact numerical models is presented. The duality between time and/or frequency simulation response methods as, harmonic balance method vs Newmark time integration scheme is discussed. Then two numerical tools for frequency domain analysis are described: the spectrogram to analyze frequency spectrum as a function of the time, the full-spectrum for analyzing the rotor whirl motions. The second part is focused on the time response simulation of some academic systems: an excited oscillator with two end-stops, a Jeffcott rotor and finally a 3 disks rotor both subjected to disk/casing interactions. Given the transient behavior exhibited by turbo-engine rotors following a rotor/stator contact, the purpose is to test several step-by-step time integration scheme combined with different contact laws. This analysis has shown that the Newmark scheme with constant acceleration used with damped contact penalty laws combined to stiffness and damping coefficients smoothed by arctangent functions are relevant. The rotor bending modeling during transient motion considering possible multi-contacts with the stator is realized using the finite element method and the previously reviewed contact modeling methods. The simulation is implemented under Matlab environment and is named ToRoS. (Rotor/Stator Touch). Finally, the developed modeling is applied to the Ardiden 1H turbo-engine. The ToRoS software is used to predict the transient dynamic response of the free power turbine subjected to multi-contacts, after a sudden blade-loss which is modeled by a sudden unbalance. Contact laws are applied and depend on contact type and location: disk/casing, seals, thrust bearing. Depending on the mass unbalance level, the speed of rotation, the contact and friction parameters, the rotor can be in a quasi-permanent contact state in forward whirl while the rotation speed is running-down

L’utilisation de revêtements abradables pour assurer l’étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d’augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d’aubes de rotor peuvent être à l’origine d’une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d’aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l’usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d’interaction entre l’aube et le revêtement abradable. Elle résulte d’une collaboration entre l’ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique – notamment en dynamique – du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d’une asymétrie du comportement en traction et en compression, l’exploitation en corrélation d’images numériques d’un essai original inspiré de l’essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L’interaction entre l’aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d’aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l’ONERA de Lille / Abradable seals are extensively used in jet engines to ensure smaller rotor/stator dynamic clearances and lead to higher aerodynamic efficiencies. However, the resulting reduced rotor/stator gap can cause excessive seal wear and/or a significant increase in rotor blades solicitation, both of which can be highly detrimental to the engine’s structural integrity. To allow numerical modelling of such accidental scenarios, there is a need to better comprehend the blade/seal interactions as well as the contact forces involved and that can be influenced by the couplings occurring between friction, seal wear and blade vibration.This thesis aims at contributing to a better understanding of the blade/seal interaction mechanisms, in the framework of a cooperation between ONERA de Lille and the Laboratoire de Mécanique de Lille. The abradable material is of Al-Si/hBN type (Metco 320NS), commonly used in low pressure compressors. The physicochemical properties and the mechanical behaviour – under static and dynamic loading – of this abradable material are tested. Given the anti-symmetry of its tension and compression behaviour, use of the Digital Image Correlation technique to analyze an experiment derived from the Brazilian test allows qualification of the damage mechanisms. The friction behaviour of the abradable seal is studied on a tribometer using different contact configurations. Characterisation of the blade/seal interaction and of some of the associated coupling phenomena is done on a dedicated and instrumented device developed at ONERA de Lille

Les problèmes de machines tournantes présentant un contact rotor-stator sont généralement traités dans la littérature à partir de modèles localement 1D. Ceci conduit à un temps de simulation acceptable, mais les approximations correspondantes sont difficiles à évaluer. Or le contact est limité en espace et en temps, il peut donc en être de même pour l'utilisation d'une modélisation 3D. Une stratégie, nommée bascule, permettant d'utiliser un modèle poutre et un autre 3D (ou un modèle mixte poutre-3D), pendant deux phases différentes de la même simulation, est donc développée. Elle est mise en oeuvre de façon non-intrusive, en dynamique transitoire, pour des systèmes présentant ou non une rotation d'ensemble, avec une résolution par intégration temporelle implicite. La bascule est validée par comparaison avec une solution 3D de référence obtenue en effectuant la simulation entière sur le modèle 3D. On analyse ensuite, sur des problèmes de contact rotor-stator, les résultats des modèles 1D et 3D, dans différentes situations de contact plus ou moins sévères. Les vibrations du rotor sont dues à un balourd et sa vitesse de rotation est imposée constante. Il apparaît que les écarts entre les résultats des modèles 1D et 3D sont peu visibles sur les orbites du rotor. En revanche les limitations du modèle 1D sont mises en évidence. En effet, l'hypothèse de section rigide du rotor entraine des approximations dans la distribution spatiale et l'intensité des efforts de contact. La modélisation 3D en revanche permet de représenter certains effets locaux au voisinage de la zone de contact.