Texte remanié de: Th. Ph. D.--Birmingham, 1992? / Notes bibliogr. Bibliogr. p. 208-218. Index.

L’enjeu actuel pour les fabricants de turboréacteurs est de fournir des moteurs peu polluants tout en assurant un rendement élevé. Une solution consiste en une réduction significative du jeu entre le rotor aubagé et le stator. Toutefois, le fonctionnement à jeu très faible induit inévitablement des contacts pouvant engendrer des pertes d’aubes. De nombreuses études identifiant les phénomènes vibratoires se sont révélées insuffisantes pour appréhender le problème de contact rotor-stator. Afin de franchir un cap dans la compréhension du contact, ces travaux de thèse proposent de considérer l’influence des phénomènes se produisant lors d’un contact frottant aube-carter : l’usure et le comportement thermomécanique.D’abord des résultats d’essais de contact aube-carter sur un banc à échelle réelle sont analysés permettant d’observer clairement l’usure du carter et les échauffements à l’échelle locale du contact.Afin d’expliquer ces observations expérimentales, des simulations numériques sont réalisées. Les études de la dynamique d’aube apportent une explication sur les profils d’usure du carter. Des simulations thermomécaniques montrent une influence significative des dilatations thermiques au contact.Enfin, une étude numérique couplée d’une aube en contact avec un carter est menée, considérant l’usure du carter induite par la dynamique de l’aube en contact, les échauffements et les dilatations thermiques se produisant au contact aube-carter. L’influence de ces phénomènes sur la dynamique de l’aube est clairement démontrée notamment les variations de régime vibratoire et les conditions pouvant entrainer la divergence du système. / The issue for the turbojet engine designers is to make less polluting et more efficient engine. A solution is to reduce significantly the clearance between the rotating bladed disk and the casing. However, operating with a very tight clearance induces inevitably interactions which can lead to loses of blades. Many studies identifying the vibratory phenomena are appeared as insufficient to totally understand the problem of contact. To reach a milestone this work proposes the study of the influence of the local phenomena during a blade-casing rubbing contact: wear and thermomechanical behavior.At first, the results of a study of a blade-casing contact performed on an experimental compressor of a turbojet at a real scale are analyzed in order to clearly identify the wear of the casing and the heating at the contact.Numerical simulations are preformed to explain these experimental observations. A study of the blade dynamics can explain the wear pattern of the casing. Thermomechanical simulations highlight a significant influence of thermal expansions on the contact.A numerical study of the dynamics of a blade interacting with a casing is performed with the consideration of the wear induced by the contact and the heatings and thermal expansions occurring at the local contact. It clearly highlights the influence of these phenomena on the blade dynamics, notably the variations of vibratory behavior and the conditions which can lead to the divergence of the system.

Texte remanié de: Thèse de doctorat--Histoire--Troyes, 2003. / En appendice, choix de documents. Bibliogr. p. 275-282. Index.

Les endommagements provoqués par le fretting sont multiples et peuvent causer de sévères disfonctionnements. Il est donc nécessaire d’étudier le fretting, en particulier dans le cas des alliages de titanes fréquemment employés dans l’aéronautique. Les endommagements générés par fretting peuvent être de l’usure, de la fissuration ou bien une combinaison des deux. La distinction entre ces deux comportements entraine régulièrement une dichotomie dans le choix des sujets traités. L’étude présentée ici fait le choix de rassembler en une seule démarche les études d’usure et de fissuration. Cette approche permet d’avoir une vision d’ensemble du comportement en fretting et fretting-fatigue d’un contact aube-disque dans un compresseur haute pression. Afin de respecter les contraintes industrielles, l’étude est réalisée à haute température (450°C) avec un contact plan sur plan revêtu. Pour réaliser cette étude, un dispositif expérimental original a été mis en place et validé. Les premiers résultats tribologiques montrent un effet majeur de la pression de contact sur le comportement tribologique de l’interface. Le coefficient de frottement du traitement de surface étudié diminue quand la pression de contact augmente. Une hypothèse d’expulsion du lubrifiant solide inclus dans le dépôt est proposée pour expliquer ce phénomène. Les résultats d’usure et notamment les analyses physicochimiques montrent un comportement sacrificiel du dépôt qui est usé préférentiellement au contre-corps. Cette caractéristique est bénéfique car dans l’application industrielle le contre-corps (le disque) doit être protégé en priorité par rapport à la pièce revêtue (l’aube). Les résultats d’usure dans la configuration industrielle sont complétés par une étude plus fondamentale mettant en évidence l’influence de la fréquence et du cycle de chargement du contact. La morphologie des traces d’usure est modifiée par ces deux facteurs, et le taux d’usure énergétique est également modifié. L’étude de la fissuration est menée en fretting simple et en fretting-fatigue. La fissuration du contre-corps non revêtu est modifiée par l’application d’un dépôt sur le poinçon revêtu. L’effet est principalement observable sur la longueur maximale de fissure, qui est divisée par deux dans le cas revêtu. Les résultats en fretting-fatigue sont également modifiés par la présence du revêtement, dont l’effet est plus présent pour les grands nombre de cycles. Enfin, une représentation des résultats sous forme de diagramme polaire normalisé est proposée afin de donner une image claire de l’ensemble des performances du dépôt. / Fretting damage is a major cause of defect. It is mandatory to study fretting in order to improve material performances, especially for titanium alloys used in aeronautics. Fretting induces wear, cracking or both damages in bodies in contact. The usual topics of fretting studies deal with one of these damages. In the one presented here, wear and cracking are studied simultaneously. This point of view allows a global approach of the blade-disk contact behavior in case of fretting in a turbojet high pressure compressor. Due to industrial constraints, the temperature of this study is 450°C and the contact geometry is coated plane on plane. This study is performed on an original experimental setup made for it. This setup enables fretting-fatigue tests at constant fretting force even if fatigue force varies. The first’s results regard tribological behavior. A significant effect of pressure is shown: the more the pressure, the smaller the coating friction coefficient. The given hypothesis is an expulsion of solid lubricant contained in surface treatment. Wear results show a sacrificial behavior of the coating. The surface treatment is worn preferentially than counter-body. From an industrial point of view, this characteristic is a good way to protect the uncoated counter-body (disk) instead of coated part (blade). In parallel, another study shows effect of frequency and load variation during cycle in a more fundamental case. Wear scar profile and wear rate is modified by these two parameters. Plain fretting tests and fretting-fatigue tests are performed to study fretting cracking process. Fretting induced cracking on counter-body is modified by coating on the punch. Maximal crack length is twice as short in coating condition as in uncoated condition. In fretting-fatigue, the coating is more efficient in high cycle fatigue. As a conclusion, a polar diagram is used in order to present global results and performances of the coating.

Les contraintes thermiques et mécaniques vues par les turbines haute pression ont conduit à la conception de turbines à aubes monocristallines. Ces aubes utilisent des nuances présentant d’excellentes propriétés en fluage selon les directions cristallographiques de type <001> et ont ainsi permis, en augmentant la température des gaz et la vitesse de rotation de la turbine, une amélioration des performances spécifiques des turbomachines. En utilisation, les aubes sont principalement soumises à l’accélération centrifuge induite par la rotation de la turbine autour de son axe. Ce chargement est cyclique avec des cycles qui correspondent au décollage/atterrissage, mais aussi à des vibrations aux fréquences plus hautes pendant la phase de vol. Le chargement de la pale est transmis au disque de turbine par une liaison de type pied de sapin, qui par nature contient un jeu. Au niveau du contact aube/disque les contraintes sont très élevées et des mouvements oscillatoires de faible amplitude apparaissent. Cette configuration de contact est appelée fretting et sa superposition avec la fatigue oligocyclique est appelée fretting fatigue. On rencontre le phénomène de fretting fatigue dans la plupart des contacts quasi-statiques subissant de la fatigue et des vibrations. C’est un phénomène qui réduit considérablement la durée de vie des assemblages. Les travaux de cette thèse se sont articulés autour de deux grands thèmes ; la connaissance du matériau et en particulier de la couche corticale (couche superficielle de la matière modifiée par le traitement de grenaillage) et l’étude des endommagements subits lors des différents chargements mécaniques élémentaire de l’attache aube/disque. Le grenaillage fait partie du processus de fabrication des pieds de pales. Il permet d’aplanir les rainures de rectification et de pré-contraindre localement le matériau en compression. Il a été montré par le passé qu’il augmentait la durée de vie moyenne en fatigue des éprouvettes technologiques représentatives de l’attache aube/disque. C’est donc un traitement mécanique fondamental. Sur un monocristal le grenaillage, en déformant plastiquement la couche corticale, modifie profondément la structure du matériau, et augmente significativement la concentration en dislocation. Ce nombre important de dislocations contribue à une rotation locale du réseau cristallographique. Ainsi la couche corticale ne peut plus être considérée comme orthotrope. Pour caractériser ces rotations, deux techniques ont été utilisées. Dans un premier temps, l’observation de la matrice γ a permis d’identifier la rotation du réseau cristallographique, ensuite une série de mesures par EBSD a permis de la quantifier. Par la suite, c’est la relaxation de la contrainte résiduelle introduite par le grenaillage dans un alliage polycristallin à base de nickel qui a été étudiée. Deux processus de relaxation ont été étudiés, le premier thermique et le second mécanique. Ces deux processus ont des cinétiques extrêmement importantes comparées à la durée de vie d’un moteur. Pour analyser le comportement en fissuration d’un plan monocristallin (MC2) soumis à une sollicitation de fretting imposée par un cylindre polycristallin (Udimet 720), trois orientations ont été sélectionnées parcourant l’ensemble des configurations rencontrées sur une aube. Les premiers résultats montrent que l’orientation du plan n’a pas d’influence sur le coefficient de frottement. Ensuite, le seuil d’amorçage a été déterminé, ce faisant les observations fractographiques des plans de MC2 ont mis en valeur l’importance de l’orientation relative des plans octaédriques et de la direction de fretting sur la direction de croissance des fissures. Ces constatations ont conduit à la réalisation de modèles éléments finis prenant en compte le caractère cubique des monocristaux de nickel et permettant d’évaluer l’amplitude du cisaillement résolu subi par un plan de fretting. [...] / No abstract

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Les endommagements provoqués par le fretting sont multiples et peuvent causer de sévères disfonctionnements. Il est donc nécessaire d'étudier le fretting, en particulier dans le cas des alliages de titanes fréquemment employés dans l'aéronautique. Les endommagements générés par fretting peuvent être de l'usure, de la fissuration ou bien une combinaison des deux. La distinction entre ces deux comportements entraine régulièrement une dichotomie dans le choix des sujets traités. L'étude présentée ici fait le choix de rassembler en une seule démarche les études d'usure et de fissuration. Cette approche permet d'avoir une vision d'ensemble du comportement en fretting et fretting-fatigue d'un contact aube-disque dans un compresseur haute pression. Afin de respecter les contraintes industrielles, l'étude est réalisée à haute température (450°C) avec un contact plan sur plan revêtu. Pour réaliser cette étude, un dispositif expérimental original a été mis en place et validé. Les premiers résultats tribologiques montrent un effet majeur de la pression de contact sur le comportement tribologique de l'interface. Le coefficient de frottement du traitement de surface étudié diminue quand la pression de contact augmente. Une hypothèse d'expulsion du lubrifiant solide inclus dans le dépôt est proposée pour expliquer ce phénomène. Les résultats d'usure et notamment les analyses physicochimiques montrent un comportement sacrificiel du dépôt qui est usé préférentiellement au contre-corps. Cette caractéristique est bénéfique car dans l'application industrielle le contre-corps (le disque) doit être protégé en priorité par rapport à la pièce revêtue (l'aube). Les résultats d'usure dans la configuration industrielle sont complétés par une étude plus fondamentale mettant en évidence l'influence de la fréquence et du cycle de chargement du contact. La morphologie des traces d'usure est modifiée par ces deux facteurs, et le taux d'usure énergétique est également modifié. L'étude de la fissuration est menée en fretting simple et en fretting-fatigue. La fissuration du contre-corps non revêtu est modifiée par l'application d'un dépôt sur le poinçon revêtu. L'effet est principalement observable sur la longueur maximale de fissure, qui est divisée par deux dans le cas revêtu. Les résultats en fretting-fatigue sont également modifiés par la présence du revêtement, dont l'effet est plus présent pour les grands nombre de cycles. Enfin, une représentation des résultats sous forme de diagramme polaire normalisé est proposée afin de donner une image claire de l'ensemble des performances du dépôt.

L’objectif de ces travaux est de prédire la stabilité dynamique d’un moteur d’avion de type turbofan, lors de contacts légers entre l’extrémité des aubes et le carter en regard. Une voix d’amélioration des performances des turboréacteurs d’avion consiste, en effet, à réduire les jeux entre les extrémités des aubes en rotation et le carter. Réduction qui s’accompagne d’une augmentation des possibilités de contact entre ces parties tournantes et fixes pouvant conduire à des phénomènes vibratoires instables. La démarche proposée s’appuie sur un modèle hybride qui introduit de manière simplifiée une roue aubagée et un carter flexible à un modèle de ligne d’arbres. Une formulation dite 3D du contact a également été implémentée, elle intègre la cinématique des différents organes du modèle et introduit de manière précise la géométrie locale de la zone de contact. Le comportement du modèle lors de contacts aubes-carter est alors étudié en distinguant les analyses menées en supposant un contact permanent et celles autorisant l’intermittence des contacts. Les résultats obtenus mettent en évidence l’importance des couplages introduits dans l’apparition des phénomènes instables et la pertinence de la formulation 3D dans la prédiction de la stabilité du système. / This work aims to predict the dynamic stability of a turbofan engine submitted to light contacts between blade tips and casing. Reducing the clearance between the rotating blades and the casing improves indeed the performances of turbomachines ; however, it also increases the possible contacts between rotating and stationary parts, which can cause unstable dynamic behavior. The approach is based on a hybrid model which introduces a simplified bladed wheel and a flexible casing to a rotor-shaft model. A 3D contact formulation has also been implemented ; it considers the model kinematic and introduces the local geometry of the contact area. The model behavior with blade-to-casing contacts is analyzed through two approaches : the first one assumes permanent contacts while the other one allows contact intermittence. The results highlight the importance of couplings in the outbreak of unstable phenomena and the relevance of the 3D contact formulation in predicting the stability of the system.

Les simulations, de plus en plus, sont capables de saisir la complexité de l'époque de réionisation, durant laquelle l'hydrogène neutre de l'Univers a été ionisé par les premières sources lumineuses. Des bases de données représentatives de la multitude de signaux possibles seront nécessaires pour contraindre les paramètres des modèles quand des observations 21~cm seront disponibles. À cette fin, et en préparation des observations à venir sur des instruments comme SKA, nous avons développé une base de données de cones de lumières EoR haute-résolution (21ssd.obspm.fr), ainsi qu'une modélisation du bruit thermique. Nous avons également développé un formalisme permettant de quantifier la différence entre les modèles de cette base de données, en utilisant le spectre de puissance et la fonction de distribution des pixels. Nous trouvons que les deux diagnostiques sont sensibles à des paramètres différents des modèles, ce qui signifie que les deux peuvent être utilisés ensemble de manière complémentaire pour extraire l'information maximale. De plus, en utilisant le code 21cmFAST, nous avons développé des stratégies pour échantillonner l'espace des paramètres d'une manière optimale (plus homogène et isotrope), afin de fournir le meilleur point de départ entrainer un réseau de neurones. Ce réseau retrouve les paramètres du modèle en se basant sur une observable. Nous observons une amélioration modérée dans la précision de ses prédictions quand nous utilisons l'échantillonnage optimisé lors de son entrainement. / Simulations are increasingly able to capture the intricacies of the Epoch of Reionization, during which the neutral hydrogen in the Universe was ionized by the first luminous sources. Databases encompassing the range of possible signals will be needed to constrain parameter values when 21~cm observations are available. In preparation for upcoming experiments such as the SKA, we have developed a database of high-resolution EoR lightcones (21ssd.obspm.fr), along with realistic thermal noise modelling. We examine frameworks with which we can quantify the difference between entries in this database, specifically with the power spectrum and pixel distribution function. We find that the two diagnostics are sensitive to different parameters, meaning they can be used together to extract maximumal information. Then, using the 21cmFAST code, we explore how to optimally sample a parameter space (so that it is more homogeneous and isotropic), in order to provide the best set-up for parameter extraction. Finally, the improved sampling is used in training a neural network. The neural network uses observables as input data, and attempts to estimate the corresponding parameter values. When the optimal sampling is used as training data, we find that the neural network is able to estimate parameter values with a modest improvement in accuracy.

Les méthodes actuelles de calcul instationnaire des équations de Navier-Stokes (Simulation Numérique Directe (SND), Simulation des Grandes Echelles (SGE)) demandent encore un temps de calcul excessif pour pouvoir être utilisées à des fins industrielles. D'autre part, les méthodes statistiques (RANS) moins coûteuses, ne permettent pas de rendre compte des phénomènes à large bande fréquentielle, qui sont à l'origine, par exemple, des ondes acoustiques. Le développement de méthodes localement couplées permet de concilier les avantages des deux types d'approches précités (SGE et RANS). Une méthode originale de ce type à été développée sur la base de la Non-Linear Disturbance Equations (NLDE). Elle consiste à résoudre l'intégralité du champ grâce à un calcul statistique. Ensuite, aux endroits critiques, le complément fréquentiel est calculé en SGE, de manière à enrichir le champ. Le code a été implanté sur le NEC SX5 de l'ONERA et testé sur plusieurs cas d'application en incompressible (canal plan bi-périodique) et en compressible (aube de turbomachine, aile hypersustentée). Ses possibilités ont été testées et des conditions limites spécifiques ont été développées. La méthode se comporte bien dans tous ces cas d'application et peut être utilisée de façon locale, permettant ainsi une nette réduction du temps de calcul.