Stabilité et dynamique non linéaire de rotors embarqués

Stability and nonlinear dynamics of on-board rotors

• Auteur / Autrice : Zaki Dakel
• Direction : Sébastien Baguet, Régis Dufour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 12/09/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Thouverez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Baguet, Régis Dufour, Fabrice Thouverez, Mihaï Arghir, Alain Berlioz, Kostandin Gjika
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mihaï Arghir, Alain Berlioz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique non linéaire

Rotors

Mots clés libres

Mécanique

Dynamique non linéaire

Machine tournante

Dynamique des rotors

Rotor embarqué

Palier hydrodynamique

Instabilité

Mechanics

Nonlinear Dynamics

Rotating machine

Rotordynamics

On-Board rotor

Hydrodynamic journal bearing

Instability

Résumé

Les rotors sont excités non seulement par le balourd tournant mais aussi par les différents mouvements de leur support : turbocompresseurs de véhicules, turbomoteurs aéronautiques, pompes à vide portées en sont des exemples industriels. Ainsi la conception de rotors robustes capables de bien fonctionner sous de telles conditions (excitations extrêmes) est nécessaire pour éviter des instabilités, source de défaillance catastrophique. Le présent travail a pour objectif de prévoir le comportement dynamique d’un rotor embarqué monté sur des paliers rigides ou élastiques hydrodynamiques et soumis à des excitations du support rigide. Les énergies cinétiques et de déformation ainsi que le travail virtuel des composants d’un rotor flexible tournant sont calculés. Le modèle proposé de rotor embarqué est basé sur les éléments finis de poutre de TIMOSHENKO. Il contient les effets relatifs à l’inertie de rotation des sections droites, à l’inertie gyroscopique, à la déformation de cisaillement d’arbre et à la dissymétrie géométrique de l’arbre et/ou du disque rigide et considère six types de mouvements déterministes (rotations et translations) du support. Suivant le type d’analyse utilisé pour le palier, les forces de rappel hydrodynamiques agissant sur l’arbre et calculées avec l’équation de REYNOLDS sont linéaires/non linéaires. L’utilisation des équations de LAGRANGE fournit les équations différentielles linéaires/non linéaires du mouvement du rotor embarqué en flexion par rapport au support mobile supposé rigide, qui représente un système de coordonnées non inertiel. Les équations du mouvement contiennent des termes paramétriques périodiques en raison de la dissymétrie géométrique du rotor et des termes paramétrique variables dans le temps en raison des rotations du support. Ces termes paramétriques sont considérés comme des sources d’excitation intérieure et conduisent à une instabilité dynamique latérale. Dans les applications numériques proposées, trois configurations de rotor embarqué sont analysées. Tout d’abord, un rotor symétrique monté sur des paliers rigides est soumis à un balourd combiné avec des mouvements de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Ensuite, un rotor avec une dissymétrie géométrique du disque monté sur des paliers rigides est excité par l’effet de balourd et par des mouvements combinés de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Enfin, un rotor symétrique monté sur des paliers hydrodynamiques est soumis au balourd et aux excitations sinusoïdales de rotation ou de translation du support.

Rotors are excited not only by the rotating mass unbalance but also by the different motions of their support: vehicle turbochargers, aircraft turbo-engines, carried vacuum pumps, are different industrial applications. Thus the design of robust rotors able to run well under such conditions (extreme excitations) and to avoid catastrophic failure is required. The present work aims to predict the dynamic behavior of an on-board rotor mounted on rigid or elastic hydrodynamic journal bearings and subjected to rigid support excitations. The kinetic and strain energies as well as the virtual work of the rotating flexible rotor components are computed. The proposed on-board rotor model is based on TIMOSHENKO beam finite elements. It includes the effects relative to the rotating inertia, the gyroscopic inertia, the shear deformation of shaft as well as the geometric asymmetry of shaft and/or rigid disk and considers six types of deterministic motions (rotations and translations) of the support. Depending on the type of analysis used for the bearing, the restoring fluid film forces acting on the shaft and computed with the REYNOLDS equation are linear/non-linear. The use of LAGRANGE’s equations yields the linear/non-linear differential equations of vibratory motion of the on-board rotor in bending with respect to the moving rigid support which represents a non-inertial reference frame. The equations of motion contain periodic parametric coefficients because of the geometric asymmetry of the rotor and time-varying parametric coefficients because of the support rotations. These parametric coefficients are considered as sources of internal excitation and can lead to lateral dynamic instability. In the proposed numerical application examples, three rotor configurations are studied. Firstly, a symmetric rotor mounted on rigid bearings is subjected to rotating mass unbalance combined with constant rotation and sinusoidal translation of the support. Secondly, a rotor with geometric asymmetry due to the disk mounted on rigid bearings is excited by the mass unbalance effect and by the combination of a constant rotation and a sinusoidal translation of the support. Thirdly, a symmetric rotor mounted on linearized/non-linear hydrodynamic bearings is subjected to the excitation due to the mass unbalance and to the sinusoidal rotational or translational excitations of the support.