Caractérisation locale des couples de matériaux mis en jeu lors du contact rotor/stator dans une turbomachine

Contribution to the local characterization of the materials involved in rotor/stator contact in aircraft engines

• Auteur / Autrice : Marion Cuny
• Direction : Pierre Chevrier, Sylvain Philippon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Energétique
• Date : Soutenance le 09/03/2012
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LABPS - Laboratoire de mécanique Biomécanique Polymère Structures - EA4632
• Jury : Président / Présidente : Michel Jeandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Boidin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick Desplanques, Jean-Philippe Ponthot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rotors

Mécanique du contact

Revêtements protecteurs

Matériaux -- Essais dynamiques

Turbomachines

Mots clés libres

Etude expérimentale

Contact rotor/stator

Mesure des efforts

Dynamiques

M601

Coupe orthogonale grande vitesse

Abradable

Résumé

L'optimisation du rendement des turboréacteurs impose de limiter les fuites inter-étages et de réduire les jeux de fonctionnement entre le rotor et le stator. Cependant, l'adoption de jeux réduit conduit à des contacts rotor/stator qui peuvent avoir des conséquences désastreuses. Afin de prévenir les effets destructeurs de ces interactions, des revêtements ''abradables'' sont déposés sur le stator. La compréhension et la modélisation de ces interactions sont primordiales pour permettre la conception de nouveaux moteurs plus efficients et plus surs. Toutefois, la modélisation précise de ces phénomènes réclame des données expérimentales difficiles à obtenir du fait de la complexité de l'interaction, des matériaux mis en jeu et de leurs conditions extrêmes d'utilisation (500 m/s et 300 °C). L'objectif de ces travaux est donc de fournir de nouvelles données expérimentales relatives aux efforts générés lors d'un contact aube/abradable. Une nouvelle technique expérimentale a donc été développée. Elle permet de générer une interaction à très grande vitesse entre un outil représentant l'aube et une éprouvette de matériau abradable et de mesurer les efforts d'interaction. Du fait des très hautes vitesses d'interaction, le dispositif de mesure d'effort est associé à une méthode de correction des signaux. Ce protocole expérimental est appliqué à la caractérisation d'un matériau abradable Metco M601, employé à l'étage basse pression du compresseur dans les turboréacteurs d'avions civils. L'influence sur les efforts d'interaction de la vitesse tangentielle, la profondeur d'incursion ainsi que des caractéristiques géométriques de l'extrémité de l'aube est étudiée

Increasing efficiency of aircraft engines require optimization of the clearance between the rotor and the stator. However, the important thermo-mechanical solicitations undergone by the engines lead to unavoidable high speed interactions between the moving parts and the casing. To achieve reduced clearance without endangering the blading, abradable seals are deposited inside the casing. This coating is designed to wear out in case of contact with the blade tip. Characterization and understanding of the different phenomena which take place during interactions are essential to prevent premature failure and to design safer aircraft engines but accurate modeling of these phenomena requires experimental data which are difficult to obtain because of the extreme conditions in which contacts occur (500 m/s, 300 °C) and of the complexity of the involved materials. The purpose of this work is to provide new experimental data relating to the forces generated during blade-casing contacts. Thus, a new experimental technique has been developed in order to generate high speed interactions between a tool impersonating a blade tip and a sample of abradable material and to measure the interaction forces. Because of the high interaction velocities reached up, a signal correction method has been implemented. Finally, this new experimental technique has been applied on the characterization of the abradable material Metco M601 used in low-pressure compressor of commercial aircraft engines. The influence on the interaction forces of the blade velocity, the incursion depth and the mechanical and geometrical characteristics of the blade tip has been studied