The present work investigates the nature of dry-friction whip and whirl through experimental and numerical methods. Efforts of the author, Dyck, Pavalek, and coworkers enabled the design and construction of a test rig that demonstrated and recorded accurately the character of multi-mode dry-friction whip and whirl. These tests examined steady state whip and whirl characteristics for a variety of rub materials and clearances. Results provided by the test rig are unparalleled in quality and nature to those seen in literature and possess several unique characteristics that are presented and discussed. A simulation model is constructed using the Texas A and M University (TAMU) Turbomachinery Laboratory rotordynamic software suite XLTRC2 comprised of tapered Timoshenko beam finite elements to form multiple degree of freedom rotor and stator models. These models are reduced by component mode synthesis to discard highfrequency modes while retaining physical coordinates at locations for nonlinear interactions. The interaction at the rub surface is modeled using a nonlinear Hunt and Crossley contact model with coulomb friction. Dry-friction simulations are performed for specific test cases and compared against experimental data to determine the validity of the model. These comparisons are favorable, capturing accurately the nature of dryfriction whirl. Experimental and numerical analysis reveals the existence of multiple whirl and whip regions spanning the entire range of frequencies excited during whirl, despite claims of previous investigations that these regions are predicted by Black's whirl solution, but are not excited in simulations or experiments. In addition, spectral analysis illustrates the presence of harmonic sidebands that accompany the fundamental whirl solution. These sidebands are more evident in whip, and can excite higher-frequency whirl solutions. Experimental evidence also shows a strong nonlinearity present in the whirl frequency ratio, which is greater than that predicted by the measured radius-toclearance ratio at the rub location. Results include whirl frequencies 250% of that predicted by the measured radius-to-clearance ratio.

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 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.