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

De
Publié par

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
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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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.............................. ....7.......................
1.1 Introduction........................................... ..................7........
1.2 Le joint abradable d’étanchéité dynamique rotort-osrt.a................. ........................8
1.3 La nuance abradable étudiée (Metco 320NS)............................... ...........................13
1.4 Etude du contact aube/abradable ....... . . . . . . . . . . . . . ........... .18..........................
1.5 Conclusions.................................. . . . . . . .... ..............33..........
Chapitre 2 Expertise de l’abradable Metco 320NS.... . . . . . . ............... ..........................34
2.1 Introduction............................................................................... .....................34..........
2.2 Conditions d'élaboration de l’abradable étudi.é. . . . . ............... ............................35
2.3 Analyses de morphologie et de composition chimique................... .......................38
2.4 Nombre et distribution des porosités...... . . . . . . . . ............... .45..........................
2.5 Dureté superficielle HR15Y......... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ................. ..........49...................
2.6 Traction uni-axiale simple ....... . . . . . . . . . . . . . . . . . ......... ......52..................
2.7 Conclusions.................................. . . . . . . .... ..............57..........
Chapitre 3 Caractérisation mécanique de l’abradable. . . . . . .............. .........................58
3.1 Introduction............................................................................... .....................58..........
3.2 Comportement de l’abradable en compression uniaxiea.l................ ......................59
3.3 Comportement de l’abradable sous sollicitation bxii-ale par l’essai Brésilien . .....61
3.4 Conclusions.................................. . . . . . . .... ..............7.8.........
3.5 Perspectives............................................. ..............7.8.........
Chapitre 4 Etude expérimentale de l’interaction aubea/dabrle .............. .................78
4.1 Introduction........................................... ..............7.8.........
4.2 Etude du frottement au contact aube/abradable surri tbomètre............. ..............78
4.3 Développement d’un banc d’interaction dynamique/ aubbradable......... ..........78
4.4 Conclusions...................................................... ... ... ... ... ... ... ........ .....................7.8.........
Conclusion générale.......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........... .......................7.8.
Annexes.................................................... ...........................78
Références bibliographiques...................................... .................7.8......

Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 4
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011 Introduction générale
Dans un contexte sécuritaire, économique et en evmeinrotnal de plus en plus
contraignant, les motoristes aéronautiques chet ràc haeménliorer la fiabilité, le rendement et les
performances des turboréacteurs. La réduction e tma lîtarise du jeu rotor/stator constitue de ce
point de vue un enjeu majeur et la solution teocghinquoel utilisée sur la grande majorité des
moteurs d’avion est le recours aux joints d’étanic théé abradables. Il s’agit de revêtements projetés
sur la paroi interne du carter et qui s’usent nauta cot des bouts d’aube, minimisant ainsi le jeu
aube/carter.
Toutefois, compte tenu du jeu très faible en foon n n cetmient, de l’ordre du dixième de
millimètre, des touches en bouts d’aube peuvent suvrenir dans des situations accidentelles qui
peuvent conduire par exemple à une usure catastroipqhue du joint abradable, pouvant provoquer
l’arrêt du réacteur par pompage, ou à une rupture ’daubes, notamment dans le cas d’excitations
dynamiques conduisant à un phénomène de divergen Lc ’uen. des obstacles majeurs à la
modélisation numérique de ces situations accidelen s telst la méconnaissance de l’interaction
aube/abradable et des forces mises en jeu au cont,t aqcui dépendent à la fois du comportement
mécanique du matériau abradable, des mécanismes d’endommagement et de rupture
responsables de son usure et des situations d’insiconur de l’aube dans le revêtement abradable, et
qui résultent de forts couplages entre les phéneosm.èn
L’objectif de cette thèse est de contribuer à lmap réc hoension des mécanismes
d’interaction ainsi qu’aux couplages associ élsa, deétt eàrmination des forces d’interaction. Il
s’agit d’un travail essentiellement expérimentu a il ,c oqncerne à la fois la caractérisation des
matériaux abradables et de leur comportement mécani que et l’étude de l’interaction dynamique
avec une aube, notamment par un essai originauln s ubra nc rotatif spécifiquement développé.

Ce travail, cofinancé par l’ONERA et par la Rédgui oNnor d Pas-de-Calais, s’inscrit dans le
cadre du thème « Comportement, rupture et concepti on robuste sous chargements dynamiques
de crash et d’impact » de l’axe « Sécurité Humaine t Technique » du programme CISIT (Campus
International Sécurité et Intermodalité des Trratns)s.p oLe sujet a motivé la collaboration entre
l’ONERA et le Laboratoire de Mécanique de Lille (LM), qui associent leurs compétences dans les
domaines respectifs de la dynamique rapide et de ltraibologie. De plus, ce travail s’intègre dans la
thématique MM3 du projet de recherche MAIA (Méthode s Avancées en Ingénierie mécAnique),
qui fédère le CNRS, l’ONERA et le groupe SAFRAN aut our de projets visant à accroître la sécurité
dans les transports par une meilleure connaisdsua ncocmep ortement dynamique et transitoire
des matériaux et des structures.
Plus particulièrement, l’étude concerne le revnêtte maebradable Metco 320NS, constitué
d’un matériau composite à matrice en aluminium-sicliium et d’un lubrifiant solide, le nitrure de
Bore, utilisé pour l’étanchéité dynamique des coemspsreurs basse pression.

Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 5
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011Le mémoire est organisé en quatre chapitres :

- Le chapitre 1 est une synthèse bibliographique relative aux rmia atuéx abradables et à
l’interaction aube/abradable. Elle montre qsut’ei lu nex iensemble d’installations et de
procédures expérimentales capables de caractériselre matériau et le contact
aube/abradable. En particulier, les phénomènesm iqdyunesa qui se produisent au
contact font l’objet d’essais sur bancs ind,u jstursiqeules l’échelle 1. Ce chapitre montre
que le comportement mécanique des matériaux abradab les reste néanmoins mal
connu, et qu’il existe un besoin de compréhen t sdieo nca eractérisation des couplages
induits par l’interaction dynamique entre l’ alueb re veêttement abradable.
- Lec hapitre 2 traite de la caractérisation du Metco 320NS, nometanm t de sa porosité et
de sa dureté. Les résultats du comportement mécanique en traction quasi-statique sont
présentés, ainsi que des essais en dynamique, maont r la dépendance du
comportement à la vitesse de sollicitation. Leusl rtéasts confidentiels sont résumés en
annexe.
- Lec hapitre 3 prolonge la caractérisation mécanique du matéaribaraud able. Un essai de
compression uniaxial révèle la forte capacitété drui amau à se densifier. Compte-tenu de
la forte dissymétrie en traction et en compressdiuo cn o mportement, un essai Brésilien,
multiaxial, est mis en œuvre. La corrélation de’is mangumériques permet l’étude des
champs de déplacements et de déformations en surfaec de l’éprouvette. Ce chapitre
montre notamment l’intérêt de cet essai pour comprendre et quantifier les mécanismes
de déformation et d’endommagement qui mènent à la r upture.
- Lec hapitre 4 est consacré à la caractérisation tribologimqautéer idua u et à l’interaction
aube/abradable. La première partie du chapitre coinstes en une caractérisation du
frottement et de l’usure sur un tribomètre de laboartoire, dans deux configurations : un
contact « confiné » disque/abradable et un c«o notan c tc onfiné » lame/abradable,
plus proche de la situation de service. La secopnardtei e du chapitre concerne le
développement d’un banc rotatif original, déd’iéétu àde lde l’interaction dynamique
aube/abradable. L’approche expérimentale repose s urune aube fortement
instrumentée et une configuration de contact aratuebr e/sicmplifiée dans des
conditions d’interaction proches des situationsesr vidce e. Les résultats révèlent
l’importance des couplages entre la dynamique dea ulb’e et l’interaction selon les
situations d’incursion.

La conclusion générale fait la synthèse detss reéxspuélrtiamentaux et de leurs apports
pour la caractérisation de l’interaction aubaeb/laeb.ra d


Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 6
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011Chapitre 1 Synthèse bibliographique
1.1 Introduction
Ce chapitre a pour but d’apporter des information bsi bliographiques sur le comportement
mécanique des matériaux abradables et sur leur in rtaection dynamique avec l’aube dans les
compresseurs de turboréacteurs aéronautiques, toute n mettant en évidence leurs apports et
limites relativement à la réponse à la problématieq.u
En première partie, les zones dans lesquelles ilne t joabradable réalise l’étanchéité
dynamique rotor/stator sont localisées, les dinffteésr ecatégories d’abradables sont présentées, et
les performances attendues sont explicitées, peosu rc olnditions de fonctionnement et des
sollicitations escomptées en service.
La seconde partie est consacrée à la présentatei olna nd uance d’abradable étudiée (le
Metco 320NS) : de son processus d’élaboration d’un peart, et des différentes procédures de
caractérisations physico-chimiques et mécaniqauuetsr ed’ part.
La troisième partie traite du contact aube/abradea.b l Les principales installations
expérimentales et procédures d’essai qui ont été smeis en œuvre pour caractériser ce contact sont
présentées, en mettant l’accent sur les essaiosn qtu ip orté sur les abradables appartenant à la
même catégorie que le Metco 320NS. Les résultats expérimentaux concernent le frottement
aube/abradable, l’usure de l’abradable et ses mécainsmes de dégradation au contact avec l’aube,
tels qu’observés expérimentalement. Les quelques parpoches numériques et de simulation du
comportement de l’abradable et de l’interaction aeu /babradable sont également présentées.
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 7
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 20111.2 Le joint abradable d’étanchéité dynamique rotor-tostra
1.2. 1 Etanchéité dynamique dans un turboréac teur
Le turboréacteur, dont l’architecture typique eostn mtrée en Figure 1, est le moteur de
choix pour la motorisation des avions de ligne- clonurgriers, moyen et gros porteurs, aux vitesses
de croisière transsoniques. Il équipe égaleme navti doens s de transport militaire supersoniques, et
peut être utilisé pour le décollage des fusées.s Dunan turboréacteur, la propulsion par réaction
est produite par l’éjection des gaz issus de la bcuosmtion du carburant, et une partie de l’énergie
cinétique de ces gaz est utilisée pour comprime rc loemburant (air).

Figure 1 . Architecture du turboréacteur
L’étude présente se restreint aux turboréacteurs dteaille et de puissance moyennes, et
concerne les compresseurs basses pressions situpérès sa l’entrée d’air (Figure 1). Les conditions de
fonctionnement rencontrées dans ces zones sopn ret ssdieosn s inférieures à 5 bars, des
-1températures comprises entre 300 et 500°C, et une vitesse axiale du flux d’air limitée à 200 m s
[Hendricks et al. (2004)]. Comme les turboréact edue rtsype CFM56 de CFM International ainsi que
GE90 de General Electric sont de puissance et eac rtcuhrie représentatives de la gamme étudiée,
les données relatives au fonctionnement de leemiuersr sp értages de compression seront donc
exploitées de manière privilégiée (Annexe 1).
Au regard des milliers d’heures de vol qu’effectuuen turboréacteur, tout perte même
minime de débit moteur affecte le travail mécaniq uteile et par conséquent la consommation en
kérosène [Demasi-Marcin and Gupta (1994)]. D uen p lmauns,que d’étanchéité rotor-stator nuit au
bon fonctionnement du réacteur : le gradients sdieo pnre étant de direction opposée à celle du
flux d’air au niveau des compresseurs, ces zoneus vpeent être le lieu d’écoulements parasites de
retour d’air qui, lorsqu’ils deviennent import paenutvse,nt mener provoquer le phénomène dit de
pompage et mettre le moteur hors-service. Ces raiso ns poussent les constructeurs à adopter des
solutions permettant de minimiser les espaces quxii setent entre les parties fixes et les parties
tournantes de la turbomachine [Novinski (1991) p]ar,t iecnulier entre le carter et l’extrémité des
aubes du rotor, entre le rotor et l’extrémité des uabes fixes ou redresseurs et au niveau des paliers
et des roulements [Hendricks et al. (2004)]. Péoaulri srer l’étanchéité dynamique, les vitesses
élevées du flux d’air et des pièces en mouvement lreatif ainsi que les importantes modifications de
géométrie dans les espaces rotor-stator en foncntieomen nt nécessitent l’utilisation de joints sans
contact.
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 8
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011
Figure 2 . Localisation du joint abradable au droit des au bes
Le joint abradable a été introduit dans les an6n0 éceosm me solution technologique au
problème d’étanchéité rotor-stator dans les turboarécteurs d’avion [Chupp (2002)]. Suivant
l’étage dans lequel il est installé, il permeétl id’oarmer le rendement de 0,5 à 1% [Chupp (2003)].
Son utilisation est aujourd’hui systématique s ugrr alna de majorité des moteurs d’avions, et s’est
généralisée depuis les années 1980 aux turbinesa z à deg centrales électriques, aux
turbocompresseurs pour automobiles et autres compre sseurs et pompes [Dowson et al. (2004)].
Placé sur les parois intérieures du stator (Fig2u)re e n couche de quelques millimètres d’épaisseur,
le revêtement abradable est conçu pour être sacréi feni cas de contact avec les ailettes mobiles
situées en vis-à-vis. Dans le compresseur, cess oanubt eune géométrie complexe en forme de
« lame vrillée » et de section variable et fignure (3Fi).


Figure 3 . Aubes de compresseur axial
1.2. 2 Catégories de joints abradable s
Les joints doivent être conçus en adéquation a afvoercte l possibilité de contacts entre les
pièces fixes et mobiles entre lesquelles ils usvee ntrot [Chappel (2001)]. Il existe de nombreux
types de joints abradables, chaque nuance étanritq uf éaeb sur mesure pour supporter les
sollicitations de l’étage de turboréacteur auqluleel eest destinée. Les abradables se distinguent
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 9
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011principalement suivant deux critères liés à lveiurro nenement d’utilisation [Lugscheider et al.
(2003)] :
- la température jusqu’à laquelle ils conserveron utr s lepropriétés et leur
fonctionnalité ;
- le matériau des aubes susceptibles de les impacteer n cas de contact rotor-stator.
Les gammes de matériaux abradables destinés à réaliser l’étanchéité dynamique
rotor/stator dans les turboréacteurs, représentéeens Figure 4, sont :
- (1) : les polymères (gomme de silicone, résine épyo,x etc.), qui sont déposés par
moulage au niveau des étages fonctionnant à unpéer atteumre inférieure à 200°C ;
- (2-3) : les composites à matrice métallique (fib rAels-Si, Ni, etc.) et lubrifiant solide
céramique (ex. graphite, nitrure de bore) ou polryemè (ex. polyester, polyamide,
acrylique), qui sont déposés par projection thueer mpilqasma au niveau des étages
fonctionnant à basse ou moyenne température (en à deç 500°C), et au
frottement contre des aubes en acier, ou en a ldlei Taigtaene ou de Nickel ;
- (4) : les alliages métalliques du type Ni-Cr-Aolu- FNei -Cr-Al-Co avec lubrifiant solide
(bentonite, nitrure de bore, polyester, etc.)n ,u so bptaer frittage, et qui sont
adaptés aux hautes températures, à l’atmosphère cor rosive et au frottement contre
les aubes de turbines ;
- (5) : les composites à matrice céramique (ex. zirncoe) obtenus par pressage, et qui
constituent une barrière thermique capable de prrvéesre l’intégrité du carter de
turbines face aux gaz chauds issus de la combust i[oYni et al. (1999)].


Figure 4 . Classification des joints abradables (1-5) en fionc tde la température d’utilisation
(0-1500°C) ; du matériau de l’aube en vis-à--gv) is[ G(hasripoor et al. (1997)]
La conception de revêtements capables de résist edre sà températures de plus en plus
élevées est une condition nécessaire au perfemcentito ndun turboréacteur, puisqu’un meilleur
rendement implique une élévation de la températuraet teinte en sortie de turbine. De 1960 à
1985, cette température est passée de 350 à près de 1500°C grâce à l’introduction de céramiques
et de systèmes de refroidissement toujours plus performants. Le prochain défi technologique se
situe à 1800°C.
Mémoire de Thèse - S.BAÏZ - Avril 201 1- 10
tel-00605091, version 1 - 30 Jun 2011

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