Développement d'une méthode d'analyse de sensibilité pour l'étude des interactions aube/carter

Améliorer les performances des turbines à gaz est une priorité des acteurs du secteur aéronautique et du secteur de l’énergie. Dans cet optique, les industriels cherchent à réduire le jeu entre les pièces en rotation et le carter environnant afin de limiter les pertes aérodynamiques. Par conséquent, lors du fonctionnement des turbines à gaz, la vibration des aubes, combinée à la réduction du jeu, entraîne des contacts entre les aubes et le carter. Ces interactions structurelles non linéaires ont des conséquences sur la durée de vie des aubes et doivent être prises en considération dans le processus de conception. Des outils numériques ont été développés à cette effet, pour venir compléter les études expérimentales. Entre les effets centrifuges, la gestion du contact ou encore l’usure du matériau abradable, les outils numériques prennent en compte un nombre important de paramètres, qui ont tous une influence plus ou moins grande sur la réponse du système. L’influence des différents paramètres est évaluée grâce aux analyses de sensibilité. L’objectif de ce mémoire est d’intégrer et de valider une méthode d’analyse de sensibilité dans le code IRS (Interaction Rotor Stator), qui est un outil numérique, développé en Python, dédié à l’étude des contacts aube/carter dans les turbines à gaz. La conduite d’une analyse de sensibilité au sein du code IRS nécessite la création d’un plan d’expérience réalisée grâce à la méthode des hypercubes latins. Le schéma d’intégration temporelle, employé pour résoudre l’équation du mouvement, s’enrichit d’une nouvelle méthode de représentation du carter basée sur les séries de Fourier. Cette nouvelle méthode augmente encore le nombre de paramètre pouvant être pris en compte lors d’une analyse de sensibilité. Enfin, un module de post-traitement a aussi été implémenté, pour permettre la détermination des vitesses critiques et analyser plus finement les résultats de simulation. Ces différents développements sur l’outil numérique ne sont pas uniquement dédiés aux analyses de sensibilité sur les paramètres de simulations. L’apport des développements a aussi été constaté lors de la conduite d’une étude sur des aubes industriels en collaboration avec l’entreprise Siemens Energy. Les résultats de cette étude ont mis en lumière des interactions particulières de l’aube avec le carter et ont en partie guidé le choix des paramètres étudiés dans le cadre de l’analyse de sensibilité.

Abstract

Improving gas turbine performances is a priority for manufacturers in the field of aeronautics and energy. Accordingly, they are seeking to minimize the clearance between rotating parts of the turbine and the surrounding casing in order to reduce aerodynamic losses. Therefore, when gas turbines are in operation, blade vibration combined with reduced clearance causes contact between the blades and the casing. These nonlinear structural interactions have a significant impact on blade fatigue life and must be taken into account in the design process. Numerical tools have been developed for this purpose to complement experimental studies. Between centrifugal effects, contact management and wear on abrasive materials, numerical tools take into account a large number of parameters, all of which have a greater or lesser influence on the system’s response. The influence of the various parameters is assessed using sensitivity analyses. The purpose of this master’s thesis is to integrate and validate a method of sensitivity analysis for the IRS code (Interaction Rotor Stator) which is a numerical tool, implemented in Python, designed for the study of blade/casing interactions in gas turbine. Conducting a sensitivity analysis requires the creation of a design of experiments using the Latin hypercube method. The temporal integration scheme used to solve the equation of motion is enhanced by a new method of representing the casing based on Fourier series. This new method broadens the set of parameters that can be taken into account during a sensitivity analysis. At last, one post-processing modules has been added in order to determine critical speeds and analyse integration results in greater detail. Those different development on the numerical tool are not only dedicated for sensitivity analysis. These developments have not only been used for sensitivity analyses but also for conducted a study on industrial blades in collaboration with Siemens Energy. The results of this study have highlighted specific interactions between the blade and the casing and may have guided the choice of parameters selected for the sensitivity analysis.