Thèse soutenue

Prédiction et analyse du phénomène de réponse forcée : application à un cas de compresseur haute pression

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Auteur / Autrice : Florent Payer
Direction : Pascal Ferrand
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des fluides
Date : Soutenance le 19/12/2013
Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
Jury : Président / Présidente : Alain Combescure
Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Thouverez, Yann Mauffrey
Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Argoul, Nicolas Tauveron

Mots clés

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Résumé

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L’enjeu de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la prédiction du phénomène de réponse forcée des aubages de turbomachines en situation de résonance. L’étude a été menée au moyen de simulations numériques U-RANS 3D et en s’appuyant sur le compresseur d’essai ERECA, dédié au phénomène de réponse forcée. Pour prédire les amplitudes de vibration des aubages excités aérodynamiquement, la méthode de prédiction la plus répandue consiste à effectuer séparément un calcul d’excitation et un calcul d’amortissement aérodynamique ; on parle alors de calcul découplé. C’est cette méthode qui a été mise en œuvre dans un premier temps. Les calculs d’excitation et d’amortissement aérodynamiques ont été comparés individuellement aux résultats d’essais. Pour cela une méthode de traitement du signal fréquence/amplitude a été développée dans le but d’extraire l’amortissement et l’excitation des résultats d’essais. Les analyses des simulations ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’excitation et d’amortissement aérodynamique. On a ainsi pu montrer que le phénomène d’interaction rotor/stator s’apparente par son caractère discontinu à une percussion périodique. Quant au phénomène d’amortissement, il se caractérise par le bilan des contributions de chaque zone d’échange d’énergie sur la paroi de l’aubage. En outre, les amplitudes vibratoires calculées à partir de cette méthode sont très proches des valeurs d’essais. Toutefois, cette procédure de calcul requiert la mise en œuvre de 2 calculs instationnaires différents et ne permet pas à l’heure actuelle d’être utilisée dans un cycle de conception. Dans le but de simplifier et d’améliorer la qualité de prédiction des analyses de réponse forcée, la méthode du couplage dynamique a été mise en œuvre et évaluée. Avec cette méthode, l’aubage répond librement aux sollicitations engendrées par le fluide. Une fois le régime transitoire évacué, l’aubage oscille en régime permanent. Cette méthode permet donc de prédire une amplitude vibratoire à partir d’un seul calcul instationnaire. En revanche, le calcul s’avère bien plus onéreux que la méthode découplée de par l’existence du régime transitoire. Dans le but de rendre accessible cette méthode à un niveau industriel, deux méthodes d’accélération du calcul ont été mises en place. Les résultats obtenus sont très encourageants et devraient permettre de réduire drastiquement les temps de restitution des analyses de réponse forcée. A la connaissance de l’auteur, cette thèse constitue une étude inédite de comparaison entre méthode découplée et couplage dynamique, qui par ailleurs s’appuie sur des résultats d’essais dédiés exclusivement au phénomène de réponse forcée.