Etude expérimentale du contact aube/abradable : contribution à la caractérisation mécanique des matériaux abradables et de leur interaction dynamique sur banc rotatif avec une aube, Blade/seal contacts in a jet engine : experimental contribution to the characterization of the mechanical behaviour of the abradable seal, and of its dynamic interaction with the blade, on a rotating device

Sarah Baïz

Description

Sous la direction de Yannick Desplanques
Thèse soutenue le 29 mars 2011: Ecole Centrale de Lille
L’utilisation de revêtements abradables pour assurer l’étanchéité dynamique des turboréacteurs est une solution répandue qui permet d’augmenter la fiabilité et le rendement aérodynamique des turboréacteurs. En fonctionnement, des touches inévitables entre le revêtement et le bout d’aubes de rotor peuvent être à l’origine d’une usure excessive du revêtement abradable et/ou de la rupture d’aube. La simulation numérique de tels incidents butte sur un manque de connaissance des interactions aube/carter et des forces mises en jeu au contact, forces qui résultent notamment de couplages entre le frottement, l’usure du revêtement et des phénomènes vibratoires.Cette thèse a pour objectif de mieux appréhender les mécanismes d’interaction entre l’aube et le revêtement abradable. Elle résulte d’une collaboration entre l’ONERA de Lille et le Laboratoire de Mécanique de Lille et concerne le revêtement de type Al-Si/hbN (Metco 320NS), couramment utilisé dans les compresseurs à basse pression.Les propriétés physico-chimiques et le comportement mécanique – notamment en dynamique – du revêtement abradable sont étudiés. Compte-tenu d’une asymétrie du comportement en traction et en compression, l’exploitation en corrélation d’images numériques d’un essai original inspiré de l’essai Brésilien permet de rendre compte des mécanismes de dégradation. Le comportement tribologique est étudié sur tribomètre dans différentes configurations de contact. L’interaction entre l’aube et le revêtement ainsi que les couplages avec les vibrations d’aube sont investigués et caractérisés dans une configuration simplifiée et fortement instrumentée, sur un banc rotatif spécifique développé à l’ONERA de Lille
-Revêtement abradable
-Contact rotor/stator
-Banc expérimental
-Essai Brésilien
-Frottement
-Usure
-Vibration
Abradable seals are extensively used in jet engines to ensure smaller rotor/stator dynamic clearances and lead to higher aerodynamic efficiencies. However, the resulting reduced rotor/stator gap can cause excessive seal wear and/or a significant increase in rotor blades solicitation, both of which can be highly detrimental to the engine’s structural integrity. To allow numerical modelling of such accidental scenarios, there is a need to better comprehend the blade/seal interactions as well as the contact forces involved and that can be influenced by the couplings occurring between friction, seal wear and blade vibration.This thesis aims at contributing to a better understanding of the blade/seal interaction mechanisms, in the framework of a cooperation between ONERA de Lille and the Laboratoire de Mécanique de Lille. The abradable material is of Al-Si/hBN type (Metco 320NS), commonly used in low pressure compressors. The physicochemical properties and the mechanical behaviour – under static and dynamic loading – of this abradable material are tested. Given the anti-symmetry of its tension and compression behaviour, use of the Digital Image Correlation technique to analyze an experiment derived from the Brazilian test allows qualification of the damage mechanisms. The friction behaviour of the abradable seal is studied on a tribometer using different contact configurations. Characterisation of the blade/seal interaction and of some of the associated coupling phenomena is done on a dedicated and instrumented device developed at ONERA de Lille
-Abradable seal
-Rotor/stator contact
-Experimental device
-Brazilian testing
-Friction
-Wear
-Vibration
Source: http://www.theses.fr/2011ECLI0002/document

Sujets

• Revêtement abradable
• Frottement
• Usure
• Tribologie

Informations

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• Nombre de lectures: 231
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 55 Mo

Extrait

N° d’ordre : 153

ECOLE CENTRALE DE LILLE


THESE

présentée en vue
d’obtenir le grade de

DOCTEUR

en spécialité :
Mécanique

par :
Sarah BAÏZ


DOCTORAT DELIVRE PAR L’ECOLE CENTRALE DE LILLE



Titre de la thèse :


Etude expérimentale du contact aube/abradable :
Contribution à la caractérisation mécanique des matériaux abradables
et de leur interaction dynamique sur banc rotatif avec une aube


Soutenue le 29 mars 2011 devant le Jury d’examen :

Président du Jury Jean-Philippe PONTHOT, Professeur, Université de Liège, LTAS
Rapporteur Pierre CHEVRIER, Professeur, ENI de Metz, LaBPS
Philippe KAPSA, Professeur, Ecole Centrale de Lyon, LTDS Rapporteur
Examinateur Xavier BOIDIN, Maître de Conférences, Ecole Centrale de Lille, LML
Examinateur Roland ORTIZ, Ingénieur, ONERA de Lille
Yannick DESPLANQUES, Professeur, Ecole Centrale de Lille, LML Directeur de thèse
Invité Jacky FABIS, Ingénieur, ONERA de Lille
Invité François GARCIN, Ingénieur, SNECMA Villaroche

Thèse préparée à l’Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA)
de Lille, en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique de Lille (LML, UMR CNRS 8107)
Ecole Doctorale SPI 072 - PRES - Université Lille Nord-de-France
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 1
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011Remerciements
Au terme de la préparation de cette thèse de doctorat, je tiens à adresser mes
remerciements à :
- l’ONERA et à laR égion Nord Pas-de-Cala pisour avoir cofinancé mes travaux de recherche dans
le cadre du projet CISIT,
- l’ONERA de Lil let à son directeur Monsie urJean-Michel WAUQUIER , au Département
d’Aéroélasticité et de Dynamique des Structu r(eDs ADS) et à son directeur MonsieJuera n-
Pierre GRISVAL, de même qu’à l’Unité Recherche et Conception Dynamique( CRD) et à son
directeur MonsieurL aurent LEFEBVRE , pour m’avoir si agréablement accueillie et souete n
pendant mes trois années de thèse,
- l’Ecole Centrale de LilleE C( Lille) et à son directeur MonsiEetiuern ne CRAYE , à l’équipe
Mécanique et Matériaux à l’EC Lille menée par MonsieuDavri d BALLOY , au Laboratoire de
Mécanique de Lille (LML) dirigé par MonsieuJr ian-Fu SHAO, ainsi qu’à l’équipe de recherche
Freinage-Contact-Surfaces du LML et à son directeur, MonsieuYra nnick DESPLANQUES , pour
m’avoir judicieusement permis d’investiguer la prloébmatique du contact dynamique
aube/abradable en associant des savoirs et des monyes expérimentaux du LML et de l’ONERA
dans les domaines respectifs de la Tribologie e lt ad eDynamique Rapide,
- l’EC Lille pour m’avoir confié des charges d’en semiegnt dans le cadre d’un monitorat sous la
tutelle du Centre d’Initiation à l’Enseignement Supérie (uCrIES), dont je remercie le directeur
Monsieur Christian VASSEUR , ainsi que mon tuteur et mentor pédagogique et escn itifique de
longue date, MonsieuJre an-Yves DAUPHIN,
- l’Ecole Doctorale des Sciences pour l’Ingén ie(SuPrI 072) pour son offre de formation des
doctorants, et à Madame Claudine DUMONT , chef de projet au P.R.E.S de l’Université Lille
Nord-de-France, pour son accompagnement et ses inatitves visant à améliorer l’insertion
professionnelle des docteurs,
- Messieurs Julien SERGEANT (société ESCIL)O,l ivier LANDEMARRE (laboratoire LERMPS),
Mathieu BAGOT (Société CEDRAT RECHERCHE) et Jean-Jacques LUBI N(ONERA de Châtillon),
pour avoir ponctuellement contribué à ces rechse rpcahr eleur expertise technique pertinente
et réactive.
J’adresse mes remerciements respectueux aux membres de mon Jury de thèse pour
l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail, et epxopuerr tli’se et le temps qu’ils ont chacun consac rés à
son évaluation. Je remercie à cet effet MonJesiaenu-rP hilippe PONTHOT pour avoir accepté de
présider ce Jury, MonsieuPr ierre CHEVRIER et Monsieur Philippe KAPSA pour m’avoir fait
l’honneur d’être rapporteurs, ainsi que MonsFireaunrç ois GARCIN , pour avoir participé à ce Jury
en tant qu’invité.
Je tiens à exprimer ma gratitude à mon Directeur d eThèse, Monsieur Yannick
DESPLANQUES , pour l’implication forte et constante avecl el aiql uae elncadré et accompagné mes
travaux. Je me souviendrai de ses encouragements« àn e pas décrire…mais expliquer ! », et que le
temps de la réflexion peut être une économie de tpesm. Par ailleurs, son dévouement dans
chacune de ses missions d’enseignant-chercheéu pr oau ér tmoi une véritable source d’inspiration.
Prêchant par l’exemple, MonsieuXra vier BOIDIN a épaulé cet encadrement avec générosité, en ne
reculant jamais devant l’effort. Je le remercs ic eh atrlèeureusement pour toutes ses contributions
et ses critiques constructives, son dynamisme,i aqiun es son sens des priorités et du travail
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 2
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011d’équipe. Aristote disait quele " commencement de toutes les sciences, c’est nl’néetoment de ce
que les choses sont ce qu’elles s"o.n tJe suis à ce propos grandement reconnaissanvetres en
Monsieur Jacky FABI,S expérimentateur passionné et passionnant, paovuori rm’ fait profiter de
son expérience et de son intuition, pour sa uctioon tr inbotable au développement du banc
d’interaction aube/abradable présenté dans ce méremo,i mais aussi et surtout, pour la confiance
qu’il m’a accordée. Un grand merci également à MoineusrR oland ORTIZ pour la constance de son
encadrement et de ses encouragements, et à Monsie Eurric DELETOMBE , pour sa participation au
rapprochement scientifique ONERA/LML à l’origin ec edette thèse, et pour les discussions que
nous avons eues et qui m’ont aidée à prendre du ruelc sur le sujet pour pouvoir ensuite l’enrichir
en profondeur. Je souhaite également exprimer maa gtritude envers Madame Anne-Lise CRISTOL-
BULTHE , MonsieurP hilippe DUFRESNOY , MonsieurJ ean-François BRUNEL , MonsieurJ acques
CHARLEY et Monsieur Jean-François WIT,Z qui en m’apportant leur expérience et leurs ciolsn se
sur plusieurs points clés de ces recherches, m’aoin t si permis de progresser dans mes travaux en
mettant en œuvre des techniques pertinentes.
Pour avoir contribué à une bonne ambiance de ltr aevta ipour leur collaboration
bienveillante (certains, qui se reconnaitrrontt ,p lm’uasu d’une fois dépannée là où rien ne les y
obligeait), je tiens à remercier chaleureusemens ct omellègues et amis (listes non exhaustives) :
- à l’ONERA : Bertrand L., David D., Alain D., Jean-Michel Ma.l,d GPér., Sylvain M., David H.,
Samuel B., Nicolas L., Delphine N., Didier J.,e sH uMg.uD.R., Léon B., Eric F., Jean-François S.,
Eric L., Bernard P., Corinne D., Florence L., kY aMn.n,ic Olivier ,R A.nnie G., Pierre-Luc M.,
(…) ;
- au LML et à l’Ecole Centrale de LilFlrea :n çois L., Ahmed E.B., Rian S., Haytam K., eEml manu
B., Mathilde C., Laurent P., Flore B., Franacoku aAd. ,N .J, Marie-Claire T., Nadine D., Philippe
Q., Christophe N., Jean-Marc F., Patrick D., .A,m iAr hAmed G., François G., Khodo(…)r .A .
Je profite de l’occasion pour exprimer une penasrétei cpulièrement reconnaissante envers
Jean G. (alias DDLM), que je remercie pour ses conseialgsma tpirques et ses coups de main
expérimentaux providentiels. Merci à voJues,a n, Pauline, Gauthier, Ben, Lise, Lucille, Sh,a dan
Julie, Juan, Thomas et Stéph apnouer tous les moments que nous avons partagés et aussi pour
m’avoir accompagnée tout au long de mes trois annsé ede thèse…
Enfin, mes plus humbles remerciements vont à mes praents, à mon frère, à mes sœurs et à
ma famille, pour ces petits riens et ces grandsts t,o upour leur amour inconditionnel et pour leur
précieux soutien.
Et merci à toi, lecteur, pour ta lecture critiGqaurdeo. n s à l’esprit, comme le disait Georges
Poulet, que «L 'être humain n'a jamais le temps d'être, il n'a jam atiesm lpes que de deven»i.r
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 3
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011Sommaire
Remerciements ................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............ ...........................2
Sommaire ..................................................... ............................4
Introduction générale ............................................................................ .................................5 .
Chapitre 1 Synthèse bibliographique...............