Refinement of Non-Synchronous Vibrations Prediction in Axial Compressors

Les vibrations asynchrones, ou NSV (de l'anglais « Non-Synchronous Vibrations »), ainsi que le flottement classique font parties de la famille des vibrations induites par les écoulements (ou FIV de l'anglais « Flow-Induced Vibrations ») observées dans les turbomachines. Les FIV sont habituellement causées par l'interaction des fluctuations de la charge aérodynamique sur une structure et la structure elle-même. Elles sont généralement classifiées en deux catégories distinctes, soient les réponses forcées et les instabilités fluide-élastiques qui regroupent, entre autres, les NSV et le flottement classique. Plusieurs cas de NSV ont été rapportés dans l'industrie, dans les étages avant de compresseurs axiaux, et sont typiquement reliées aux dommages en fatigue des aubes. Cependant, le mécanisme physique pouvant expliquer les NSV n'est pas entièrement compris et universellement accepté. Des études antérieures ont suggérées que les fluctuations de l'écoulement de jeu, qui surviennent plus souvent à haute charge aérodynamique et pour des jeux assez grands, pourraient expliquer les NSV. Une autre hypothèse suggère que les NSV découlent de l'impact de l'écoulement de jeu sur l'intrados d'une aube adjacente et que l'étude de la dynamique d'un jet impactant pourrait possiblement expliquer les NSV. Un modèle, basé sur l'analogie d'un jet impactant en résonance, a été proposé afin de prédire les vitesses critiques auxquelles les NSV peuvent survenir. Ce modèle a été statistiquement vérifié et validé expérimentalement. En dépit du fait que le modèle soit capable de fournir une bonne approximation a priori des vitesses critiques de NSV, il a été démontré expérimentalement que l'exactitude des prédictions découlant du modèle est très sensible à un paramètre k, qui a été définit comme étant le « coefficient de convection de l'instabilité ». En effet, les prédictions du modèle ne s'avèrent justes que si le coefficient k est connu. Cet ouvrage présente une étude du modèle de NSV proposé, basé sur l'analogie du jet impactant en résonance décris précédemment, qui utilise principalement des outils numériques afin d'améliorer les prédictions des vitesses critiques de NSV. L'étude démontre que le paramètre « k » est influencé par la grandeur du jeu ainsi que la température d'opération. Cependant, l'effet dominant semble provenir de la grandeur du jeu alors que l'effet de la température sur « k » peut être négligé à des fins de conception. Les travaux suggèrent également que les résultats obtenus devraient être générique, i.e. indépendant de la géométrie utilisée.