Optimisation d'aubes de turbomachines : minimisation de la réponse vibratoire à la suite de contacts avec le carter

Parmi les stratégies prévilégiées par les constructeurs de moteurs d'avion pour améliorer le rendement global des turbomachines, la réduction du jeu radial entre les parties tournantes (rotor) et fixes (stator) est un axe de recherche prioritaire. Cependant, si cette solution diminue les pertes aérodynamiques, elle augmente aussi la probabilité de contacts entre les sommets d'aubes et le carter environnant, à tel point que ces phénomènes, auparavant considérés uniquement dans le cas de situations accidentelles, sont maintenant pris en compte dans des situations de fonctionnement normal. Pour cette raison, les interactions de contact entre les aubes et le carter doivent désormais être prises en compte dès les premières phases de conception des roues aubagées. Le contact aube/carter est un phénomème fortement non-linéaire et, à ce jour, il n'existe pas de critère pertinent permettant de discriminer les aubes selon leur sensibilité au contact. Dans une récente étude, il a été montré qu'une aube, qui avait précédemment été modifiée pour réduire sa sensibilité au contact, se différenciait principalement de l'aube initiale par sa consommation de jeu (une grandeur caractérisant l'évolution du jeu aube/carter alors que l'aube vibre selon son premier mode de vibration). Sur base de cette observation, le présent projet de recherche a pour objectif d'étudier la relation entre la consommation de jeu d'une aube et sa sensibilité au contact. Ce mémoire présente une procédure d'optimisation d'aube utilisant comme fonction objectif la consommation de jeu. Les paramètres d'optimisation utilisés sont les paramètres géométriques issus de la modélisation d'aube créée pour ce projet. L'algorithme d'optimisation mesh adaptive direct search est employé via le logiciel d'optimisation de boîte-noire NOMAD. La procédure d'optimisation est appliquée sur des aubes issues de la littérature. Les aubes obtenues présentent des consommations de jeu diminuées. Une analyse comparative est menée entre les aubes initiales et les aubes issues de l'optimisation en utilisant un outil de simulation de contact rotor/stator. La comparaison des résultats numériques permet de mettre en évidence la réduction des amplitudes de vibration post-contact pour les aubes issues de l'optimisation. De plus, la disparition de certaines vitesses critiques démontre bien une baisse de la sensibilité après optimisation des aubes.

Abstract

One of the strategies used in recent years to improve turbomachines' overall efficiency is the reduction of radial clearances between rotating and static components. However, as this clearance reduces, the probability of structural contacts between blade-tips and the surrounding casings increases; to a point that such events are now anticipated in nonaccidental configurations. For that reason, contact interactions must now be accounted for as early as the design stage of bladed components. However, contact is a highly non-linear phenomenon and, to this day, no relevant criterion exists to discriminate blades according to their sensitivity to contact events. In a recent study, it was found that a redesigned blade, featuring significant improvements with respect to its vibratory response following contacts, essentially differed from the original blade with respect to its clearance consumption (which characterizes the evolution of blade/casing clearance as the blade vibrates over its first free-vibration modes). From this observation, it was decided to carry out a thorough investigation on the possible relation between clearance consumption and the non-linear vibratory response following contacts. This master's thesis presents an automated structural optimization procedure of a blade design using an objective-function related to the blade's clearance consumption. The optimization variables used are the geometrical parameters stemming from the blade model created for this study. It relies on a derivative free optimization software (NOMAD) using the mesh adaptive direct search algorithm. The presented optimization procedure is applied on several existing blades from the literature. The procedure yields blades featuring lower clearance consumption. Initial and final blades shapes are then analyzed by means of an in-house numerical tool dedicated to the simulation of rotor/stator interactions. An in-depth comparison of numerical results underlines that the amplitudes of vibration following contacts are significantly lowered for the final blade . Overall, it is evidenced that the blades' sensitivity to contact has been lowered as certain critical speeds vanish for the final blade shapes.