Thèse de doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 210 réf.

Thèse de doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2003. / 210 réf.

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.

Pour les groupes turbo-alternateurs du parc nucléaire français, la situation accidentelle de référence lors du dimensionnement est définie par le départ d'une ailette terminale des corps basse pression. Après avoir détecté la perte de l'ailette, la turbine est déconnectée du réseau électrique, et la turbomachine ralentit progressivement sous l'effet de frottements d'origine fluide. Le dimensionnement consiste alors à vérifier que les structures palières sont capables de supporter l'effort résultant du balourd généré par cette perte d'ailette pendant la phase de ralentissement, notamment lors du passage des vitesses pour lequel des contacts rotor-stator peuvent se produire. A cet effet, un modèle éléments finis de turbine a été développé pour simuler des transitoires de vitesse d'un rotor en considérant la vitesse de rotation de l'arbre comme une inconnue, permettant ainsi d'estimer la décélération angulaire due au contact frottant. Trois modèles de stator ont été proposés appréhender le comportement dynamique du carter, et le couplage des structures est réalisé au moyen des forces de contact calculées par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. La résolution des équations non-linéaires du mouvement a nécessité le développement d'un algorithme de contact, adapté à la géométrie de chacun des carters. Des simulations réalisées sur un modèle simple de turbine montrent que la vitesse de rotation et les chargements aux paliers sont bien estimés lors de l'interaction rotor-stator. Ainsi l'outil numérique permet d'étudier la réponse couplée rotor-stator et de prédire l'influence de paramètres tels que le coefficient de friction et les propriétés matérielles du stator.

Cette thèse porte sur la prévision du comportement dynamique en flexion des rotors feuilletés à cage d'écureuil appelés MGV. La difficulté de la modélisation réside dans la complexité de l'assemblage de la masse magnétique, composée d'un empilement de tôles maintenues par des tirants excentrés précontraints, et d'une cage d'écureuil composée d'une distribution périphérique de barres de court circuit connectées à deux anneaux de court-circuit situés aux extrémités du feuilletage. Un modèle éléments finis de poutres de Timoshenko prenant en compte le caractère monolithique des MGV est développé. Le comportement dynamique latéral des rotors feuilletés est principalement régi par la rigidité de flexion de l'empilement dont les propriétés constitutives sont méconnues ce qui rend délicat la modélisation. Une approche d'identification numérique-expérimentale fournit une loi des propriétés constitutives de l'empilement en fonction des dimensions et précontraintes d'assemblage du feuilletage. Pour cela, les quantités modales calculées et mesurées sont incluses dans une fonctionnelle basée sur un quotient de Rayleigh hybride et combinée à des méthodes de réduction ou d'expansion. Les fonctionnelles proposées ont été testées dans diverses applications Industrielles. La modélisation des efforts centrifuges, de la raideur géométrique et du contact tirants-feuilletage a montré que l'effet de la rotation a une influence non linéaire qui tend à augmenter les forces longitudinales agissant sur le feuilletage et les tirants sans toutefois dépasser la limite élastique des tirants. La conséquence de ce phénomène est l'augmentation de la rigidité de flexion du feuilletage lors de la rotation.

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

De manière générale, les turbomachines sont des machines tournantes permettant la conversion des différents types d’énergie. Ces dernières sont composées d’une partie mécanique en rotation, appelée rotor, interagissant avec un fluide. La rotation a donc un rôle clé pour ces machines et la liaison entre les parties fixes et les parties tournantes, appelée palier, est primordiale pour un fonctionnement fiable et optimal. Les turbomachines supportées par des paliers magnétiques actifs (PMAs) sont de plus en plus utilisées par les industriels notamment grâce à l’absence de contact direct entre parties fixes et parties tournantes, permettant un gain d’énergie et une réduction des émissions de CO2. La plupart du temps, ces machines sont « embarquées » et reposent sur des supports mobiles. Les mouvements générés par ces supports doivent être considérés dans la prévision du comportement dynamique des turbomachines afin d’améliorer les designs en conséquence. Cette thèse est une contribution à l’étude des turbomachines supportées par des PMAs sujettes à de fortes sollicitations extérieures. L’approche est numérique et expérimentale. L’utilisation d’un banc d’essais académique composé d’un système rotor-PMA, aux propriétés d’une turbomachine industrielle, a permis de tester les modèles développés pour des cas de sollicitations extérieures de type séisme et choc, générées grâce à l'excitateur 6-axes de l'equipex PHARE. Il est montré que le modèle permet la bonne prévision du comportement réel de la machine. Cet outil pourra donc être utilisé pour des designs de type industriel. / Turbomachines are rotating machines enabling the conversion of the different types of energy. The latter are composed of a rotating mechanical part, called rotor, interacting with a fluid. Therefore, rotation play a key role in these machines and the mechanical link between the fixed and the rotating parts, called bearing, is essential for reliable and optimal operations. Turbomachines supported by active magnetic bearings (AMBs) are increasingly used by industrial companies, especially thanks to the absence of direct contact between fixed and rotating parts, enabling energy savings and reduction of CO2 emissions. Most of the time, these machines are "on-board" and are fixed on mobile supports. The motions generated by these supports must be considered in the prediction of the dynamic behaviour of turbomachinery in order to improve the designs accordingly. This PhD is a contribution to the study of turbomachines supported by AMBs subjected to strong external base motions. The approach is numerical and experimental. The use of an academic scale test rig comprising a rotor-AMB system, with the properties of an industrial turbomachine, allowed to test the developed models for cases of external solicitations such as earthquake and shock, thanks to the 6-axis shaker of the equipex PHARE. It is shown that the model provides good predictions of the behaviour of the machine for the tested cases. This tool can therefore be used for industrial designs.

Les paliers à feuilles sont des organes de guidage en rotation adaptés pour des rotors légers fonctionnant à des grandes vitesses de rotation. Leur fonctionnement ne nécessite aucun apport d’huile ni de graisse. Ces paliers sont réalisés avec une structure compliante. La présence de frottements dans la structure apporte l’amortissement nécessaire au système rotor-palier.Après une présentation de la technologie, un tour d’horizon des modèles existants et des limitations de chacun d’eux est exposé. Par la suite, un modèle non-linéaire du coussinet compliant est introduit. Dans ce modèle les feuilles sont considérées comme des solides élastiques. Les forces de frottement et les jeux entre les feuilles sont pris en compte par l’utilisation de la condition de non-interférence de Moreau-Signorini. Les efforts normaux et les forces de frottement sont calculés respectivement par la méthode des multiplicateurs de Lagrange augmentés et la méthode des pénalités. Ensuite, cette structure compliante est couplée au film fluide, traité par la résolution de l’équation de Reynolds en conditions de lubrification mixte.L’intérêt est ensuite accordé au palier dans sa globalité : structure déformable, film fluide, rotor. En régime statique, cette étude passe par l’analyse des démarrages du rotor puis de son fonctionnement à des hautes vitesses de rotation et sous de très fortes charges statiques. L’effet des erreurs d’usinage est mis en évidence. En régime dynamique, l’étude se fait par l’analyse non-linéaire d’un rotor de Jeffcott supporté par des paliers à feuilles. Les résultats montrent les limites de stabilité du système rotor-paliers et l’influence du balourd. / The foil bearings are used for guiding and supporting small rotors with high rotational speeds. Their operating functioning does not require any oil or grease. These bearings have a compliant structure. The presence of friction in the compliant structure brings damping, which is necessary for the rotor-bearing system operating at high speeds.After a presentation of the technology, an overview of the existing models and the limitations of each of them is exposed. Subsequently, a nonlinear model of the compliant structure is introduced. In this model, foils are considered as elastic solids. The friction forces and the gaps between the foils are taken into account by using the Moreau-Signorini non-interference condition. Normal forces and friction forces are calculated by using the augmented Lagrange multiplier method and the penalty method. Then, the compliant structure is coupled to the fluid film, dealt with the Reynolds equation for mixed lubrication conditions.The study is then focused on the bearing as a whole : compliant structure, fluid film, rotor. The start-up torque, the lift-off speed as well as operating conditions at high speeds and important static loads are part of the steady regime analyses. The effect of machining errors is highlighted. For the dynamic regime, the study consists of the non-linear analysis of a Jeffcott rotor supported by foil bearings. The results show the stability limits of the rotor-bearing system and the influence of unbalance.

Cette thèse porte sur la prévision du comportement dynamique des rotors feuilletés à cage d'écureuil appelés moteur grande vitesse (MGV, [3 − 30] MW, [6 000 − 20 000] rpm). La difficulté majeure de la modélisation réside dans la complexité relative à l'assemblage de la masse magnétique des MGV, composée, d'une part, d'un empilement de tôles magnétiques (ou feuilletage) maintenues par des tirants excentrés précontraints, et d'autre part, d'une cage d'écureuil composée d'une distribution périphérique de barres de court-circuit connectées à deux anneaux de court-circuit situés aux extrémités du feuilletage. Un modèle éléments finis de poutres de Timoshenko prenant en compte le caractère monolithique des rotors MGV est développé. Une attention particulière est portée à la modélisation de la masse magnétique en considérant d'une part, les barres de court-circuit, et d'autre part, les tirants indépendamment du feuilletage. Le comportement dynamique latéral des rotors feuilletés est principalement régi par la rigidité de flexion de l'empilement dont les propriétés constitutives sont méconnues et essentiellement liées au procédé de fabrication de la machine électrique ce qui rend délicat la modélisation des rotors MGV. Le modèle établit conduit entre autre aux contraintes dans les éléments finis. L'identification mixte numérique-expérimentale menée aboutit à l'évolution des propriétés constitutives du feuilletage en fonction de la géométrie et des précontraintes d'assemblage. Pour cela, les quantités modales calculées et mesurées (sur le site de production de Champigneulles, France ou en laboratoire) sont incluses dans une fonctionnelle énergétique basée sur un quotient de Rayleigh hybride et combinée à des méthodes de réduction de Guyan ou de Craig & Bampton, ou d'expansion de Guyan ou SEREP. Toutes les fonctionnelles proposées ont été éprouvées dans diverses applications industrielles dans le but d'identifier des propriétés constitutives de structures réelles: empilement de tôles magnétiques, portions d'arbre ou rotor de palier magnétique. Le développement d'algorithmes de Levenberg-Marquardt et de dérivation des éléments propres ont été nécessaires pour minimiser la fonctionnelle, extraire les propriétés constitutives du feuilletage et prévoir les formes et fréquences propres les plus proches possible des mesures à l'arrêt. La modélisation des efforts centrifuges, raideur géométrique et contact tirants-feuilletage a montré que l'effet de la rotation a une influence non linéaire qui tend à augmenter les forces longitudinales agissant sur les feuilletage et tirants sans toutefois dépasser leur limite élastique. La conséquence de ce phénomène est l'augmentation de la rigidité de flexion de la masse magnétique lorsque le moteur électrique est en rotation. La maîtrise de la dynamique des rotors feuilletés et la connaissance des propriétés constitutives équivalentes du feuilletage, assemblage de la cage d'écureuil ou centrifugation des tirants accroissent la fiabilité des prévisions, notamment dans les phases de développement où il s'agit de prédire le comportement dynamique de rotors jamais réalisés auparavant, e.g. 30 MW à 6 000 rpm.

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier analytiquement et numériquement le comportementdynamique non-linéaire des rotors, en prenant en compte des effets significatifs comme les grandesdéformations en flexion, les non-linéarités géométriques et le cisaillement. Le manuscrit est diviséen trois parties principales. Dans la première partie, le principe de Hamilton est utilisé pour formulerles équations du mouvement qui prennent en compte un ensemble d’effets non-linéaires comme desdéformations d'ordre supérieur en flexion et le cisaillement. De plus, si les supports du rotor nepermettent pas à l'arbre de se déplacer dans la direction axiale, il y a alors une force dynamiqueharmonique agissant axialement sur le rotor en fonctionnement. Ces modèles se composentd’équations différentielles non-linéaires du deuxième et du quatrième ordre.Les deux parties suivantes sont consacrées à la résolution des différents modèles non-linéairesdéveloppés dans la première partie. Des méthodes analytiques et numériques sont appliquées afin detraiter les équations non-linéaires du mouvement. Une méthode basée sur des développementsasymptotiques, la méthode des échelles multiples (MEM) est utilisée. Les courbes de réponse sonttracées pour différentes résonances possibles et l'effet de la non-linéarité est discuté par rapport àl'analyse linéaire. La réponse forcée du système provoquée par un balourd est également présentéepour plusieurs configurations du rotor. Lorsque les déformations de cisaillement sont prises encompte, l'analyse est effectuée pour différents élancements afin de mettre en évidence cet effet sur ladynamique d’un système arbre-disque / The objective of the present work is to investigate the nonlinear dynamic behavior of the rotorsystems analytically and numerically, taking into account the significant effects, for example, higherorder large deformations in bending, geometric nonlinearity and shear effects.This thesis is dividedinto two major parts. In the first part, Hamilton’s principle is used to derive the equations of motionwhich take into account various effects, for example, nonlinearity due to higher order largedeformations in bending and shear effects. In addition, if the supports of the rotor do not allow theshaft to move in the axial direction, then there will be a dynamical force acting axially on the rotoras it operates. The mathematical models are composed of coupled nonlinear differential equations ofthe 2nd and the 4th order.In the second part, the resolution of various nonlinear models developed in the first part isaddressed. Analytical and numerical methods are applied for treating the nonlinear equations ofmotion. A method based on asymptotic developments, the method of multiple scales (MMS) is used.The response curves are plotted for different possible resonance conditions and the effect ofnonlinearity is discussed with respect to the linear analysis. The forced response of the system due toa mass unbalance is also presented for various configurations of the rotor. When shear deformationsare taken into account, the analysis is performed for various slenderness ratios to highlight sheareffects on the dynamics of the shaft-disk rotor systems