La problématique abordée est celle des interactions aube-carter, ce dernier étant revêtu d’un matériau abradable, dans les turboréacteurs aéronautiques. Sous certaines conditions, ces interactions peuvent conduire à une réponse dynamique divergente des aubes. Si le comportement dynamique de la structure joue un rôle essentiel, l’usure des matériaux et les échauffements semblent nécessaires pour entretenir un mouvement vibratoire menant à la ruine des aubes. Ces travaux s’inscrivent dans ce contexte multi-physique avec comme objectif l’explication des causes de divergences des aubes en intégrant les aspects thermomécaniques induits par frottement. Le travail comporte 2 parties distinctes. D'une part, l’écriture d’un bilan d’énergie lors d’une interaction maitrisée sur un banc expérimental, couplé à une modélisation pour l'identification des flux. Ces travaux délivrent une répartition de l’énergie en fonction des mécanismes d’interaction activés. D'autre part, une modélisation numérique thermomécanique/dynamique des interactions, intégrant la complexité du problème : échelles de temps différentes entre les phénomènes dynamiques et thermomécaniques, génération et partage de flux à l’interface, modélisation du contact, effet de l’usure et conditions aux limites complexes. Plusieurs situations divergentes sont étudiées sur la base de comparaisons avec des résultats expérimentaux disponibles sur compresseur. Il est montré un rôle secondaire ou prépondérant des aspects thermomécaniques selon les conditions initiales. La compétition des phénomènes au contact (dilatations, usure, etc.) est un point clairement démontré et dont certains aspects sont ouverts aux perspectives. / This thesis adresses the industrial problem of blade-tip / abradable coating interaction in aircraft engine leading to divergent dynamic response of blades. Even if it is well known that the dynamic behavior of the structure plays a key role on the divergence, wear and heating seem necessary to amplify vibratory motion leading to blade damage. In this multi-physic context the aim of this work is to provide explanations on the origins of the divergence by introducing thermomechanical phenomena. The work is divided in 2 parts. First, an energy balance at the rubbing contact is established through experimental analysis of interactions on a simplified test rig, coupled with inverse simulation models for heat flows estimation. The proposed method highlights different energy partitions between the blade and the abradable coating depending of the activation of different wear mechanisms. On the other hand, a thermomecanical strategy is developed for the simulation of blade-abradable rubbing events taking account of specific issues : different time scales between thermal and mechanical phenomena, generation and partition of heat flows at the interface, contact resolution, wear effects, thermal expansion and complex boundary conditions. Several divergent cases are investigated on the basis of comparison with experimental results available on compressor. It is shown that thermomechanical effects are sometimes overriding or conversely relegated to a more distant role, depending on the initial conditions of interaction. The competition of phenomena acting upon contact (thermal expansions, wear, etc.) is clearly demonstrated and certain aspects remain open to perspectives.

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

La loi de comportement est un élément essentiel de la caractérisation mécanique des matériaux. Pour pouvoir identifier le comportement d'un matériau, il existe plusieurs méthodes expérimentales (traction statique, barres d'Hopkinson) qui permettent d'obtenir des lois mécaniques applicables dans des conditions bien définies et le plus souvent sur des matériaux massifs homogènes. La plupart de ces essais sont de plus couteux et exigent le plus souvent des géométries d'échantillons spécifiques. L'utilisation de ces tests reste limitée et ne permet pas d'analyser tous les types de matériaux comme les revêtements ou les matériaux poreux... par exemple. Or ces matériaux eux aussi nécessitent aujourd'hui une connaissance fine de leurs propriétés afin de permettre une simulation au plus juste de leur comportement en service. Les lois de comportement établies à l'échelle d'un matériau massif ne répondent également que partiellement aux besoins de modélisation de certains procédés detraitement mécanique de surface comme par exemple le grenaillage, car elles ne prennent pas en compte les effets de la surface. L'objectif principal de cette étude est de développer une méthode à la fois rapide et facile pour pouvoir identifier le comportement local des matériaux sous condition dynamique, afin de pouvoir caractériser les surfaces soumises à des sollicitations de type chocs. Pour atteindre cet objectif, une méthode inverse a été développée pour identifier le comportement des matériaux à l'aide d'une combinaison d'approche expérimentale et numérique d'essais d'impacts répétés. Les lois decomportements obtenues à l'aide de cette méthode inverse restent sujettes à caution car difficile à comparer à des valeurs de référence par manque de données dans la littérature. Pour cette raison ces lois seront ensuite comparées avec une méthode analytique inspirée de la théorie de l'indentation. Afin de valider l'efficacité de la méthode inverse et de la méthode analytique, des essais numériques à l'aveugle ont été menés, ensuite des applications sur des matériaux modèles et industriels ont été réalisées pour déterminer les limites des méthodes. / The behavior law is an essential element of the mechanical characterization of materials. To identify the material behavior several experimental methods can be used such as (static traction, Hopkinson bars ...) that allow to obtain mechanical laws applied under well-defined conditions, i.e. on homogeneous and bulk materials. However, do to the rising cost of these tests and their specific sample geometry, their use is limited and does not allow to probe and measure all types of materials (like coatings or porous materials....). Moreover, a broad knowledge of their properties allows a more accurate simulation of their behavior in working process. Behavior laws appropriate for bulk material do not always fit to process modeling shot peening, due to surface deformation. The main objective of this study is to develop a simple, rapid method for identifying the local behavior of materials under dynamic conditions, in order to characterize surfaces under impact loading. An inverse method has been developed to identify the behavior of materials using a combination of numerical and experimental approaches of repeated impact tests. The behavior laws obtained by the inverse method must be further investigated due to missing comparison data in literature. A comparison with an analytical method based on the theory of indentation must be carried out for more accuracy. In order to validate the efficiency of the inverse method and the analytical method, numerical blind tests wereconducted, then applications on industrial and ideal materials have been carried out to determine the limits.

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

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

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.

Une des solutions envisagées par les motoristes pour améliorer le rendement des turbomoteurs consiste à réduire le jeu en fonctionnement dans les deux systèmes d’air des turbomachines. Plus particulièrement dans le système d’étanchéité d’air secondaire, la réduction du jeu entre les parties fixes et tournantes améliore le contrôle des étanchéités du moteur et les niveaux de refroidissement entre les différents modules des turbomoteurs, mais entraînent des interactions indésirables entre les différents composants. Les systèmes d’étanchéité dynamiques sont composés de joints labyrinthes couplés à un revêtement abradable sacrificiel en vis-à-vis, qui offre la particularité de s’user préférentiellement en préservant la majeure partie du système d’étanchéité en évitant une usure de la partie tournante. L’objectif de cette thèse est de reproduire et d’étudier, par l’intermédiaire d’un banc technologique haute vitesse spécialement conçu pour l’étude, les interactions labyrinthe-abradable appliquées au couple acier inoxydable/Al-Si 6%, dans des conditions de fonctionnement d’un turbomoteur. Une instrumentation spécifique est développée sur le banc et apporte à l’étude les données expérimentales manquantes visant à la caractérisation des interactions labyrinthe-abradable. Une analyse tribologique, basée sur le concept de troisième corps, est menée afin d’identifier les différents débits de matière puis de décrire les étapes successives des mécanismes d’usure (circuit tribologique) du revêtement Al-Si 6%. L’influence des paramètres de pilotage de l’interaction et de la géométrie du joint a été étudiée. Enfin, une étude statistique basée sur l’iconographie des corrélations, permet de modéliser le comportement global du système labyrinthe-abradable, d’identifier les paramètres influents du système et d’apporter des critères pour une potentielle surveillance des interactions. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre TURBOMECA Bordes (groupe SAFRAN), et le Laboratoire Génie Production (LGP) de Tarbes. / S of turbomachinery. Especially in the secondary air sealing system, the tight clearance between the stationary and rotating parts improves control of engine seals and cooling levels between the different modules of the engines but may cause undesirable interactions between the static and rotating components. Dynamic sealing systems are composed of labyrinth seals coupled to a sacrificial abradable coating, which can accommodate interactions to preserve the global geometrical seal integrity. The objective of this thesis is to study and reproduce, through a technological high speed test rig specifically designed for the study, the labyrinth-abradable interactions applied to stainless steel/Al-Si 6% couple, under similar turbo-engine operating conditions. A suitable instrumentation is developed on the test ring to complete missing experimental data to characterize abradable labyrinth interactions. A tribological study, based on the third body concept, is proposed to identify wear mechanisms process of the Al-Si 6% coating. The influence of interaction control parameters and the seal geometry was investigated. Finally, a statistical study, based on the iconography of the correlation, is proposed to model the overall labyrinth-abradable system behavior and to identify influential parameters of the system and provide suitable criteria to monitor labyrinth seal interactions. This work was achieved within the framework of cooperation between TURBOMECA Bordes (SAFRAN Group), and the Laboratoire Génie de Production (LGP) de Tarbes.