Simulations numériques d'essais expérimentaux de contact aube/carter

Le resserrement des normes environnementales ainsi que la hausse du prix du carburant poussent les ingénieurs à concevoir des moteurs d'avion plus performants et moins polluants. L'une des solutions privilégiées vise à minimiser le jeu fonctionnel entre les parties rotatives et fixes du moteur. Dans le compresseur basse pression, de meilleures performances aérodynamiques sont atteintes en limitant le débit de fuite en bout d'aube. Le rapprochement des aubes tournantes du carter environnant occasionne des contacts plus fréquents qui peuvent mener à des phénomènes vibratoires préjudiciables nommés interactions rotor/stator. Les interactions rotor/stator au niveau du compresseur basse pression combinent des contacts mécaniques, des comportements vibratoires non-linéaires, des effets thermomécaniques et l'usure d'un revêtement abradable. La complexité du phénomène et les causes de son apparition demeurent un enjeu de taille pour les industriels qui tentent de les maîtriser. L'utilisation conjointe d'outils numériques et d'essais expérimentaux spécifiques est une piste privilégiée pour l'étude de ces phénomènes. La simulation numérique des interactions rotor/stator a le potentiel de prévenir les cas de contact les plus critiques en discriminant une configuration aube/abradable selon sa sensibilité au contact. La calibration de ces outils prédictifs nécessite une fine compréhension de tous les phénomènes en jeu et impose la mise en œuvre d'essais expérimentaux et même l'élaboration d'un banc d'essais capable de produire les conditions retrouvées au sein d'un moteur en opération. En partenariat avec Safran Aero Boosters, l'objectif de ces travaux est de calibrer l'outil numérique Coros, développé au Laboratoire d'Analyse Vibratoire et Acoustique (LAVA) de Polytechnique Montréal, en reproduisant numériquement un scénario de contact aube/abradable critique observé expérimentalement. Le lancement et l'analyse de plusieurs simulations ont permis d'affiner les paramètres entrants de l'outil numérique pour ensuite valider son utilité prédictive. Pour la première fois, un critère d'arrêt de la simulation, basé sur la contrainte d'élasticité maximale que peut supporter l'aube à l'étude, est intégré dans la procédure d'analyse des résultats. Cette nouvelle méthode permet de définir le cadre de validité des résultats numériques prédits par Coros. Les paramètres calibrés grâce à la simulation de l'essai de référence sont ensuite repris afin de mener la plus grande analyse comparative effectuée à ce jour avec cet outil numérique. Au total, quatre essais de contact, complétés sur quatre aubes industrielles différentes, sont reproduits numériquement en utilisant le même jeu de paramètres calibrés. La confrontation des résultats numériques avec les résultats expérimentaux est satisfaisante et permet d'envisager des critères qualitatifs pour hiérarchiser les aubes selon leur capacité à supporter le contact. Celles-ci sont, entre autres, comparées selon la profondeur d'usure prédite et le nombre de vitesses présentant une interaction rotor/stator. Ainsi, une aube répondant fortement selon plusieurs vitesses de rotation serait considérée moins robuste qu'une aube dont les vitesses critiques sont peu nombreuses sur la plage de vitesses analysée.

Abstract

Tightening environmental standards and rising fuel costs are driving engineers to design more efficient, greener aircraft engines. One preferred approach aims to minimize the functional clearance between the fixed and rotating parts of the engine. A higher compression ratio within the low-pressure compressor delivers superior aerodynamic performance. This is achieved by reducing the leakage flow at the blade tip interface. Closing the gap between said blades and the casing causes structural contacts to happen more frequently. These may lead to dangerous vibratory phenomena called rotor/stator interactions. These interactions, yet to be fully understood, combine mechanical contacts, nonlinear vibrations, thermomechanical effects and complex abradable wear mechanisms. The complexity of the latter raises the necessity to determine the origin and the characteristics of these interactions as well as their potential severity. The adoption of numerical tools to simulate vibratory blade behavior after contact is rising as an essential step during the design phase of the blades. Simulations could have the capability to prevent the worst cases of interactions by discriminating certain blade/abradable configurations depending on their propensity to lead to dangerous interactions. However, the efficiency of the numerical tool relies on a proper configuration beforehand. Hence, the calibration of those predictive tools requires the implementation of experimental and original test rigs to reproduce engine like operating conditions. Furthermore, those also help grasping a more complete comprehension of all phenomena involved throughout the interactions. In partnership with Safran Aero Booster, the objective of this master thesis is to calibrate Coros, the tool developed at the Laboratoire d'Analyse Vibratoire et Acoustique (LAVA) of Polytechnique Montreal, by replicating a critical blade/abradable contact scenario observed experimentally. Numerous simulations were performed and analyzed in order to refine the simulation parameters of the tool and to confirm its predictive utility. For the first time, a cutoff criterion, based on the yield stress of the tested blade, is integrated within the results analysis procedure. This new methodology gives us the means to delimit the validity scope of the numerical results evaluated by Coros. The set of parameters, adjusted using a reference test, are then applied to conduct the largest comparative analysis to date. A total of four experiments on four different industrial rotor blades are numerically reproduced using the same set of calibrated parameters. The experimental and numerical results come to agreement and allow us to consider qualitative criteria in order to rank blades relative to their capacity to withstand repetitive contact. For example, based on the predicted wear pattern or the number of angular velocities showing a rotor/stator interaction a blade reacting strongly at several different speeds would be deemed less robust than one with few critical velocities over the analyzed speed range.