Développement d'un outil numérique pour la simulation du contact aube/carter

Pour augmenter les rendements, les constructeurs de turbines à gaz réduisent au maximum la distance entre les parties mobiles en rotation et le carter fixe environnant afin de limiter les pertes aérodynamiques. Les vibrations des aubes, principalement induites par la très grande vitesse de fonctionnement de ces moteurs et des flux d'air importants, vont conduire à des contacts aube/carter qui, malgré le dépôt d'un revêtement abradable, affectent considérablement la durée de vie des aubes. Au vu de la complexité des phénomènes étudiés tels que la prise en compte de modèles d'éléments finis, la gestion précise du contact, le calcul de l'usure du revêtement abradable et la prise en compte de potentiels effets dus aux grandes vitesses de rotation, les logiciels de modélisation numérique ne peuvent être utilisés. Ainsi, l'objectif de ce mémoire est de présenter un outil numérique, développé en Python, et dédié à la simulation de phénomènes de contact observés sur les aubes de turbines à gaz. Pour ce faire, une modélisation précise de l'aube, incluant les effets inertiels, est réalisée. Celle-ci nécessite la réduction du nombre de degrés de libertés, réalisée avec la méthode de CraigBampton pour assurer des temps de calculs raisonnables. Une approche temporelle est utilisée pour résoudre l'équation du mouvement pour obtenir à la fois le comportement transitoire et permanent. Cette résolution peut se faire avec ou sans prise en compte de l'usure et des forces aérodynamiques. La méthode des multiplicateurs de Lagrange est utilisée pour gérer le contact aube/carter. Finalement, différents modules de post-traitement sont développés pour permettre la détermination de vitesses critiques de fonctionnement et la visualisation des champs de contraintes dans l'aube. Lors développement d'un tel outil pour un partenaire industriel, il est essentiel de s'assurer qu'il fournit des résultats précis et fiables. De nombreuses vérifications ont été menées tout au long de ce projet pour assurer la bonne implémentation de l'outil. Finalement, une attention particulière a été portée à la rapidité de l'outil car un tel outil peut vite se révéler inutilisable s'il est trop lent.

Abstract

In order to improve performances, gas turbine manufacturers tend to minimize the distance between the rotating components and the fixed casing in view of limiting aerodynamic losses. Blade vibrations, induced mainly by the high operating angular speed and the intense air f low in these engines, will result in blade/casing contacts which, in spite of the use of abradable coating, will substantially affect blades lifespan. Due to the complexity of the studied phenomena such as the management of finite element models, the precise computation of contact, as well as of wear of the abradable coating and the consideration of potential high angular speeds effects, numerical modeling software packages cannot be used. Therefore, the purpose of this thesis is to develop a numerical tool, implemented in Python, and dedicated to the simulation of blade/casing contact observed in gas turbine. To this end, a precise modeling of the blade, which can include inertial effects, is performed. Then, a reduction of the number of degrees of freedom is required to ensure reasonable computation times. A time integration-based method is used to solve the equation of motion enabling both the transient and stationary behavior to be modelled. Solving this equation must be possible either with or without the account of wear and aerodynamic forces. The Lagrange multiplier method is used to manage the blade/casing contact. Ultimately, different post-processing modules are available to determine critical speeds and to visualize the blade's stress fields at several times. Upon development of such a tool for an industrial partner, it is crucial to ensure that the results are accurate and reliable. Numerous verifications were conducted throughout this project to ensure the proper implementation of the tool. Finally, a particular attention was paid to the performance of the tool as such a tool can quickly become unusable if it is too slow.