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.

Le comportement dynamique des turbomachines industrielles doit respecter des critères émis par les normes internationales et les utilisateurs. Les rotors flexibles sont sensibles à la distribution de balourd, et sont soumis aux excitations aérodynamiques de leur environnement. Usuellement, les contrôleurs utilisés peinent à délivrer le niveau d’exigence demandé, par conséquent les propriétés mécaniques des paliers magnétiques sont fortement dépendantes de celles des rotors. L’objectif de ce mémoire est d’analyser le comportement dynamique des compresseurs centrifuges afin de proposer une stratégie de contrôle innovante. D’abord, chaque palier est considéré comme une entité a part entière en couplant ses deux axes d’action. Le comportement dynamique du rotor est exprimé dans le repère polaire. Par ailleurs, la logique floue, qui utilise un modèle de pensée proche du raisonnement humain, applique des actions correctives en fonction du comportement dynamique global du rotor. Ainsi, l’utilisation couplée de ces deux approches créé une synergie permettant d’agir sur le système de manière ciblée. Le contrôleur dissipe l’énergie cinétique du rotor lors du franchissement de vitesses critiques afin d’atténuer la réponse au balourd, ou augmente la raideur du palier lors de vibrations transitoires ou asynchrones afin de réduire la trajectoire du rotor. Le faible amortissement structurel du rotor le rend sensible au phénomène de « spillover » (l’énergie de contrôle affecte les modes de fréquence élevée). Or, la logique floue ne peut pas gérer ce phénomène. Ainsi, un contrôleur PID sous-jacent est utilisé pour maîtriser la stabilité des modes hautes fréquences. Au final, le contrôleur flou polaire permet d’obtenir des marges de performances entre les capacités de cet asservissement et le cahier des charges. Ces marges sont utilisées pour trois objectifs : le respect des spécifications, l’amélioration du comportement subsynchrone, et enfin la simplification et la standardisation du contrôleur sous-jacent nommé ici SPID. Ce contrôleur est tel que ses caractéristiques, dans la plage de fréquence utile, sont indépendantes du rotor pour une application donnée. Enfin, la stratégie développée est évaluée avec des simulations numériques et des essais expérimentaux. D’abord, le modèle numérique est validé, puis le contrôleur est appliqué à un banc d’essais académique. Le comportement est stable et robuste. Il présente des performances supérieures au PID augmenté fourni avec le banc, que ce soit pour la réponse au balourd, ou pour la réponse à des excitations subsynchrones. Finalement, la démarche est appliquée à un compresseur industriel. Les simulations montrent que le comportement est proche de celui exigé pour des machines sur paliers classiques. L’optimisation de l’approche et l’automatisation de la conception pourraient conduire à la standardisation des paliers magnétiques actifs. / The dynamic behaviour of large turbomachinery should satisfy stringent requirements dictated by international standards and final users. Their flexible rotor is sensitive to the unbalance distribution and subjected to particular excitations coming from the industrial process. Usually, the performance margins between the requirements and the classical controller capabilities are small. Consequently, the magnetic bearing characteristics depend on the rotor geometry. Designing such controllers is difficult and time consuming. The objective of this thesis is to investigate the dynamic behaviour of supercritical centrifugal compressors in order to propose a new control strategy. First, each bearing is considered as one entity by coupling its two axes of action. The introduction of polar quantities permits a better observation of the rotor dynamic behaviour. In addition, by using logic close to human being reasoning, the fuzzy logic modulates the action forces as a function of the global dynamic behaviour. The coupling of the two approaches is an efficient way to apply targeted corrective actions. This controller attenuates the unbalance vibration when crossing critical speeds by applying damping forces, or increases the stiffness during transient or asynchronous excitations in order to limit the maximum displacement reached. As their structural damping is low, flexible rotors are very sensitive to spillover effect, which cannot be managed by fuzzy controllers. Consequently, an underlying PID is necessary. This hand-synthesized controller has high frequency characteristics tuned in order to ensure stability and robustness for each rotor. Compared to a classical approach, the polar fuzzy controller enables to increase the performance margins. These margins are used to fulfil three objectives: the achievement of standards requirements, the improvement of the subsynchronous behaviour, and the simplification and the standardization of the PID controller that we called SPID. This SPID is designed for a given application, such that the bearing characteristics on the operating frequency range are always the same. The control strategy is assessed numerically and experimentally. First, the numerical model is validated with experimental tests. Then, the controller developed is applied to an academic test rig. The controller is stable and robust. It exhibits performance superior to the augmented PID supplied with the test rig for both unbalance response and response to subsynchronous excitations. Finally, the control of an industrial compressor is assessed numerically. The results obtained are close to the standards requirements used for classical bearings. The optimization of the approach and the utilization of an automatic tuning algorithm for high frequency characteristics could lead to the standardization of Active Magnetic Bearings.

Les machines tournantes sont le siège de phénomènes vibratoires particuliers liés à des sources d’excitation variées dues à l’effet de rotation, au couplage vibrations/mouvements de rotation/écoulements tournants, à la symétrie périodique ou quasi-périodique des structures, et à l’amortissement interne et externe. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur le développement d’une méthodologie de couplage de modèles 1D poutre et 3D pour l’analyse dynamique avancée des machines tournantes. La méthode Arlequin est une méthode de raccord de modèles autorisant par l’intermédiaire d’une technique de superposition, de coupler des modèles numériques de nature différente. L’extension de cette méthode au cadre de la dynamique des machines tournantes offre la possibilité de mieux traiter les aspects énergétiques et propagation d’ondes à travers la zone de recouvrement. À cette fin, plusieurs points sont abordés. Le premier point concerne l’écriture du formalisme Arlequin en régime dynamique transitoire dans le cadre du raccord 1D-3D. À partir des formulations continue et discrétisée, les questions de couplage multi-schémas/multi-échelles en temps sont traitées en se basant sur la conservation de l’énergie globale des sous-domaines couplés. Dans le second point, une méthode de raccord multi-schémas/mono-échelle en temps fondée sur une pondération de type partition de l’unité des paramètres du schéma de Newmark dans la zone de collage est proposée. Elle permet de garantir l’équilibre énergétique du système global et assure la continuité des quantités cinématiques à l’interface. Puis cette approche est généralisée au cadre des raccords multi-schémas/multi-échelles. Ce nouveau formalisme autorise l’intégration numérique avec des schémas et des échelles de temps différents dans un contexte de raccord avec recouvrement tout en préservant l’équilibre énergétique global. Le dernier point traite deux volets principaux. Dans le premier volet, une formulation mixte ciblant les applications machines tournantes pour lesquelles un repère fixe et un autre tournant coexistent, est mise en place. Dans le second volet, le formalisme multi-schémas/multi-échelles en temps est étendu à la formulation mixte dans le but d’obtenir une approche générale permettant l’analyse de modélisations avancées de machines tournantes. La pertinence de ces travaux est illustrée par une application semi-industrielle représentant une application de type machines tournantes. / Rotating machinery are subjected to specific vibratory phenomena related to various sources of excitation arising from rotation, vibration / rotation movements coupling, symmetry of the periodic or quasi-periodic structures, and internal and external damping. This work focuses on developing a methodology for coupling beam and 3D models for advanced dynamic analysis of rotating machinery. The Arlequin method is a multi-scale computation strategy allowing the coupling of numerical models of different nature through a technique of superposition. The extension of this method to the dynamics of rotating machinery framework offers the possibility of a better treatment of the energy aspects and wave propagation through the overlapping zone. To this end, several points are discussed. The first one concerns writing the Arlequin formalism in a transient dynamic regime for a 1D-3D coupling. Using the continuous and discrete formulations, questions regarding coupling different integration schemes and heterogeneous time scales are studied based on the total energy conservation of the coupled sub-domains. In the second point, a multi-scheme integration method based on a weighting partition of unity function of the Newmark’s scheme parameters in the gluing zone is proposed. It ensures the energy balance of the overall system and the continuity of kinematic quantities at the interface. This approach is then generalized to a multi-scheme / multi-scale framework. Based on displacement continuity in the recovering area, this new formalism allows the numerical integration with different time scales and heterogeneous time schemes while preserving the overall energy balance. The last point deals with two main components. In the first phase, a mixed formulation aiming at rotating machinery applications where a rotating and a fixed frame coexist is developed. In the second phase, the multi-scheme / multi-scale framework is extended and applied to the mixed formulation in order to obtain a general approach for analyzing advanced modeling of rotating machinery. The relevance of this work is illustrated by a representative application of rotating machines.