Etude de l'usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes : application aux pieds d'aubes de turbomachines

Loïc Salles

Description

Sous la direction de Fabrice Thouverez, Alexander M. Gouskov
Thèse soutenue le 07 décembre 2010: Université Technique d'Etat Bauman de Moscou, Ecole centrale de Lyon
Les parties tournantes des turbomachines aéronautiques sont composées d’une succession de roues aubagées qui permettent le transfert de l’énergie entre l’air et le rotor. Ces roues aubagées constituent des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre en termes de dimensionnement à des impératifs de performances aérodynamiques, d’aéroacoustique et de tenue mécanique à la rotation,à la température et à la charge aérodynamique. Le contact avec frottement existant au niveau des attaches aube-disque joue un rôle important sur les niveaux vibratoires.Ce travail porte sur l’étude de l’usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes. En effet, les vibrations de l’aube peuvent produire des micro-glissements en pied d’aubequi peuvent entraîner un phénomène d’usure par fretting. Les connaissances sur le comportement de l’usure sous sollicitations dynamiques sont faibles. Seuls existent des outils numériques pour modéliser l’usure dans le cas de sollicitations quasi-statiques. Nous proposons dans cette thèse des méthodes pour calculer l’évolution de l’usure au cours des cycles de chargement dynamique basées sur une approche multi-échelle en temps. La réponse vibratoire de la structure est liée à une échelle de temps rapide qui est calculée par une méthode d’équilibrage harmonique, dans laquelle les déplacements et les efforts sont projetés sur la base de Fourier. Différentes approches temps-fréquence de calcul des coefficients de Fourier des forces de contact sont présentées. La cinétique d’usure est liée à une échelle lente et différentes méthodes sont proposées pour l’intégrer. La prise en compte des géométries usées dans le modèle éléments finis se fait par l’ajout d’un vecteur des profondeurs d’usure dans le terme de pénalité des lagrangiens dynamiques. Des exemples académiques valident et illustrent les méthodes proposées. Ces méthodes sont ensuite appliquées à l’étude de l’usure par fretting en pied d’aube de soufflante. L’étude numérique met en lumière le couplage entre vibration et usure par fretting aux interfaces de contact. La modification du comportement dynamique global de la roue aubagée est aussi observée.
-Dynamique des structures
-Roues aubagées
-Turbomachines
-Frottement
-Tribologie
-Fretting-wear
-Méthode multi-échelle en temps
-Analyse fréquentielle non-linéaire
The rotating parts of aeronautical turbomachineries are made of bladed disks which enable the transfer of energy from the air to the rotor. These bladed disks are especially critical parts because their dimensioning has to meet strict requirements in terms of aerodynamical performance, aeroacoustics and mechanical resistance to rotation, temperature and aerodynamical loads. The frictional contact at the interface between blade and disk has an important influence on the vibratory levels.This work deals with the study of fretting-wear in frictional interfaces under dynamical loading. Indeed,the blade’s vibrations can produce micro-slidings in blade’s root which may entail fretting-wear. Wear under dynamical loading is a badly known phenomenon. Numerical tools exist for quasic-static conditions only. Here,methods are proposed to quantify the evolution of wear along dynamical loadingcycles based on a time-multiscale approach. The vibratory response of the structure is linked with a fasttime scale which is calculated by a harmonic balance method : displacements and forces are expressed through Fourier series. Different frequency-time approaches are presented to compute the Fourier coefficients of contact forces. Wear kinetics is linked with a slow time scale and different methods are proposed to integrate it.Worn geometries are taken into account in the finite elements model by a wear depth vector included in the penalty term of dynamic lagrangians. Academic examples validate and illustrate the proposed methods. These methods are then used to study fretting-wear in a fan’s bladeroot. The numerical results highlight the coupling between vibration and fretting-wear in frictional interfaces.The modification of the global dynamical behaviour of the bladed disk is also observed.
-Structural dynamics
-Bladed disk
-Turbomachineries
-Friction
-Tribology
-Time multiscale method
-Nonlinear frequency analysis
Source: http://www.theses.fr/2010ECDL0038/document

Sujets

• Frottement
• Tribologie

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 70
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Numérod’ordre:2010-38 Année2010
MÉMOIREDETHÈSEENCOTUTELLE
PRÉSENTÉPOUROBTENIRLETITREDE
DOCTEUR
DE
L’ÉCOLECENTRALEDELYON
SPÉCIALITÉMÉCANIQUE
ÉCOLEDOCTORALEDEMÉCANIQUEDELYON(UCBL/INSA/ECL)
PAR
LoïcSALLES
Ingénieurdel’ÉcoleCentraledeLyon
ÉTUDEDEL’USUREPARFRETTINGSOUSCHARGEMENTS
DYNAMIQUESDANSLESINTERFACESFROTTANTES
Applicationauxpiedsd’aubesdeturbomachines
Soutenuele7décembre2010devantlejuryd’examen:
E.FOLTÊTE,Professeur,ENSMMBesançon Rapporteur
J.-C.GOLINVAL, Professeur,UniversitédeLiège Rapporteur
D.NÉLIAS, Professeur,INSAdeLyon Examinateur
P.JEAN,Ingénieurderecherche,SNECMA Examinateur
L.BLANC,Maîtredeconférence,ÉcoleCentraledeLyon Examinateur
A.M.GOUSKOV, Professeur,BMSTU,Moscou Directeurdethèse
F.THOUVEREZ, Professeur,ÉcoleCentraledeLyon DirecteurdethèseiiRésumé
Lespartiestournantesdesturbomachinesaéronautiquessontcomposéesd’unesuccessionderoues
aubagéesquipermettentletransfertdel’énergieentrel’air etlerotor.Cesrouesaubagéesconstituent
despiècesparticulièrementsensiblescarellesdoiventrépondreentermesdedimensionnementàdes
impératifs de performances aérodynamiques, d’aéroacoustique et de tenue mécanique à la rotation,
à la températureet à la charge aérodynamique. Le contact avec frottementexistant au niveau des at-
tachesaube-disquejoueunrôleimportantsurlesniveauxvibratoires.
Cetravailportesurl’étudedel’usureparfrettingsouschargementsdynamiquesdanslesinterfaces
frottantes. En effet, les vibrations de l’aube peuvent produire des micro-glissements en pied d’aube
quipeuvententraînerunphénomèned’usureparfretting.Lesconnaissancessurlecomportementde
l’usuresoussollicitations dynamiquessontfaibles.Seuls existentdesoutilsnumériquespourmodéli-
serl’usuredanslecasdesollicitationsquasi-statiques.Nousproposonsdanscettethèsedesméthodes
pourcalculer l’évolution del’usureaucoursdescycles dechargementdynamiquebaséessur uneap-
proche multi-échelle en temps. La réponse vibratoire de la structure est liée à une échelle de temps
rapidequiestcalculéeparuneméthoded’équilibrage harmonique,danslaquellelesdéplacementset
les efforts sont projetés sur la base de Fourier. Différentes approches temps-fréquence de calcul des
coefficientsdeFourierdesforcesdecontactsontprésentées.Lacinétiqued’usureestliéeàuneéchelle
lenteetdifférentesméthodessontproposéespourl’intégrer.Lapriseencomptedesgéométriesusées
danslemodèleélémentsfinissefaitparl’ajoutd’unvecteurdesprofondeursd’usuredansletermede
pénalité des lagrangiens dynamiques. Des exemples académiques valident et illustrent les méthodes
proposées. Ces méthodes sont ensuite appliquées à l’étude de l’usure par fretting en pied d’aube de
soufflante.L’étudenumériquemetenlumièrelecouplage entrevibrationetusureparfrettingauxin-
terfacesdecontact.Lamodificationducomportementdynamiqueglobaldelaroueaubagéeestaussi
observée.
Motsclés:dynamiquedesstructures,rouesaubagées,turbomachines,frottement,tribologie,fretting-
wear,méthodemulti-échelleentemps,analysefréquentiellenon-linéaire
iiiiv RésuméAbstract
The rotating parts of aeronautical turbomachineries are made of bladed disks which enable the
transferofenergyfromtheairtotherotor.Thesebladeddisksareespeciallycriticalpartsbecausetheir
dimensioning has to meet strict requirements in termsof aerodynamical performance,aeroacoustics
andmechanicalresistancetorotation,temperatureandaerodynamicalloads.Thefrictionalcontactat
theinterfacebetweenbladeanddiskhasanimportantinfluenceonthevibratorylevels.
Thisworkdealswiththestudyoffretting-wearinfrictionalinterfacesunderdynamicalloading.In-
deed,theblade’svibrationscanproducemicro-slidings inblade’srootwhichmayentailfretting-wear.
Wearunderdynamical loading is abadly knownphenomenon.Numerical tools existfor quasic-static
conditionsonly.Here,methodsareproposedtoquantifytheevolutionofwearalongdynamicalloading
cyclesbasedonatime-multiscaleapproach.Thevibratoryresponseofthestructureislinkedwithafast
timescalewhichiscalculatedbyaharmonicbalancemethod:displacementsandforcesareexpressed
throughFourierseries.Differentfrequency-timeapproachesarepresentedtocomputetheFourierco-
efficients of contact forces. Wear kinetics is linked with a slow time scale and different methods are
proposedtointegrateit.Worngeometriesaretakenintoaccountinthefiniteelementsmodelbyawear
depth vector included in the penalty term of dynamic lagrangians. Academic examples validate and
illustrate the proposed methods. These methods are then used to study fretting-wear in a fan’s blade
root.Thenumericalresultshighlightthecouplingbetweenvibrationandfretting-wearinfrictionalin-
terfaces.Themodificationoftheglobaldynamicalbehaviourofthebladeddiskisalsoobserved.
Keywords:structuraldynamics,bladeddisk,turbomachineries,friction,tribology,timemultiscale
method,nonlinearfrequencyanalysis
vvi AbstractRemerciements
Cestravauxdethèseontétéeffectuésauseindel’équipeDynamiquedesSystèmesetdesStructures
dulaboratoiredeTribologie etDynamiquedes Systèmes del’École CentraledeLyonencollaboration
avecleDépartementdeMécaniqueAppliquéedel’Universitétechniqued’ÉtatBaumanàMoscoudans
lecadred’unecotutelledethèse.
Enpremier lieu,jetiensàremercier leProfesseur FabriceThouverezdem’avoir proposé cetravail
etd’avoiraccepterdemonterunethèseenco-tutelleavecl’universitéBauman.
JeremerciesincèrementleProfesseurAlexandreMikhailovitchGouskovd’avoiraccepterd’encadrer
ce travail et pour sa disponibilité durantmes périodes en Russie. Les conseils qu’il m’a fournis m’ont
permisd’avoirunregardcritiquesurmontravailetdeprendredureculsurlesujettraité.
Je remercie vivement M. Daniel Nélias, professeur à l’INSA de Lyon, d’avoir accepter de présider
monjurydethèse.J’enprofitepourremerciertouslesmembresdugroupedetravailsurlefrettingde
MAIAdontilfaisaitpartiainsiqueLudovicGallego,BenjaminFulleringer,CarolineMary,JeanMériaux,
SiegfriedFouvry,StéphaneDeyber,Juan-antonioRuiz...
JeremercieégalementM.Jean-ClaudeGolinval,professeuràl’universitédeLiègeetM.Emmanuel
Foltête,professeur àl’université deFrancheComté pourl’intérêt qu’ils ontportéàmontravail enac-
ceptantd”êtrerapporteursdecemémoire.
J’ai uneinfime reconnaissance àLaurentBlancpour m’avoir aider durantlathèseentantque co-
encadrant,pouravoirtoujoursétédisponiblepourrépondreàmesquestions,pourl’aideàlarédaction
d’articleetpourlesbonsmomentspassésensemble.
Je remercie bien évidement Snecma pour avoir financé cette étude et avoir accepté une thèse en
co-tutellesurunsujetsensible.JeremercieenpremierlieuRolandKraftpouravoirmontrédel’intérêt
sur lemontaged’unethèseenco-tutelle aveclaRussie. Jeremercie aussi StéphaneDeyber pour avoir
lancél’étudeetPierrickJeanpourl’avoirsuividurantlestroisansdethèse.J’enprofitepourremercier
le personnel du service méthode de Snecma et en particuliers le service YHMM où j’ai passé de bons
momentslorsdemesséjoursàVillaroche.
JetiensparticulièrementàremercierMadameZucco,enchargedesrelationsuniversitairesavecla
Russieàl’École CentraledeLyon.Jetiensàsouligner toutletravaileffectuédurantdesannéespourla
mise en place de collaboration avec l’Université Bauman. Cette collaboration s’est traduite pour moi
par la possibilité de faire une partie de mes études d’ingénieur à Moscou et de continuer en thèse.
L”existencedeces liens étroitsentrel’Ecole CentraledeLyonetl’universitéBaumanadonnéunnou-
veauvirageàmavie.
Enfin je remercie tous mes collègues chercheurs, techniciens et thésards de l’équipe D2S pour la
bonneambianceetlesfacilitésdetravail.Cefutunvéritableplaisirdetravaillerauseindecetteéquipe.
viiviii RemerciementsTabledesmatières
Tabledesmatières viii
Tabledesfigures xi
Nomenclature xiii
Introduction 1
1 Contactaube-disque:étatdel’art 5
1.1 Présentationd’unturboréacteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Problèmatiquedelaliaisonaube/disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Conceptiondesliaisonsaube/disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 Matériauxutilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3 Chargementssubisparuneattache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.4 Amortissementdesvibrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3 Modesdedéfaillancedelaliaisonaube/disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 Fretting:phénoménologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.2 Fretti