Étude expérimentale d’instabilités aéroélastiques de joints labyrinthe

Experimental study of labyrinth seal aeroelastic instabilities

• Auteur / Autrice : Marine Fleury
• Direction : Fabrice Thouverez, Laurent Blanc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 05/10/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Collet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Thouverez, Patrick Girard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emeline Reboul, Charles Pézerat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Turbomachines

Mots clés libres

Turbomachine

Couplage fluide-structure

Aéroélasticité

Joint labyrinthe

Non-linéarités

Instabilités

Flottement

Turbomachinery

Flutter

Aeroelasticity

Labyrinth seal

Non-linearities

Instabilities

Flutter

Résumé

Dans les machines tournantes, les joints labyrinthes sont utilisés à plusieurs niveaux (turbine, compresseur) pour limiter les fuites et les phénomènes de recirculation entre les zones hautes pressions et les zones basses pressions. Ces composants sont donc critiques pour les performances du moteur. Ils opèrent sans contact, par perte de charge, en minimisant les jeux radiaux entre parties fixes et parties tournantes de la machine. De plus, l’épaisseur du stator est réduite pour obtenir des géométries légères. Ces contraintes de conception mènent à l’apparition d’instabilités aéroélastiques qui constituent un risque pour l’intégrité des parties internes du moteur (fissuration, rupture). Pour éviter ces problématiques, il est nécessaire de disposer de modèles prédictifs. Si des critères existent, peu de données expérimentales permettent de valider et recaler ceux-ci aujourd’hui. L’objet de ce travail est double : il s’agit d’abord de mettre en place un dispositif expérimental spécifique à l’étude d’instabilités aéroélastiques de joints labyrinthe et de réaliser des essais de stabilité pour constituer une base de données expérimentale suffisamment fournie. D’autre part, le développement d’un nouveau modèle numérique est proposé. Des premiers éléments de comparaison calculs-essais sont présentés avec les résultats des simulations. Le banc d’essais mis en place est une reconception d’un premier dispositif expérimental dédié aux instabilités de joints labyrinthe. Le retour d’expérience, les analyses et optimisations réalisées, les solutions technologiques choisies ont permis de concevoir et fabriquer un banc d’essais modulaire et opérationnel pour l’observation et la caractérisation du phénomène. Les forts niveaux vibratoires relevés pendant les essais ont pu être associés à des instabilités aéroélastiques. Les analyses des campagnes d’essais ont permis de mettre en évidence deux paramètres d’influence : le débit massique et l’amortissement structural du stator. Le modèle d’écoulement est basé sur les équations de Navier-Stokes et prend en compte les variations de température au sein du joint labyrinthe. La cinématique du stator est décrite par une théorie de coque cylindrique. Le système global fluide-structure obtenu est développé et linéarisé par la méthode de perturbation. La résolution du problème bidimensionnel (temps et espace) se fait par une approche de Galerkin. Les résultats des simulations, confrontés aux résultats expérimentaux issus des campagnes d’essais, fournissent de nouvelles perspectives pour l’amélioration et le recalage du modèle et pour des campagnes d’essais futures.

Experimental study of labyrinth seal aeroelastic instabilities Abstract In turbomachinery, labyrinth seals are used to control the leakage between high-pressure and low-pressure regions. Therefore, labyrinth seals are key components to reach high performance of the engine. These non-contact systems generate pressure drops, minimizing radial clearances between rotating and stationary parts of the structure. Moreover, manufacturers of sealing systems tend to reduce the thickness of structural parts to get lighter designs. These new designs could lead to aeroelastic instability issues, which entails fatigue cracks. To prevent such instability problems, an accurate prediction of the aeroelastic effective damping is necessary. Stability criteria used in the industry are mainly based on empirical observations and show limitations ; moreover, the lack of experimental data can’t allow to validate existing models. This work has a dual objective : firstly, the design and manufacturing of a specific experimental rig to study labyrinth seal aeroelastic instabilities and carry out test campaigns to provide a substantial database. The development of a new analytical model is also proposed. Comparison between numerical and experimental results are presented in the analyses of the simulations. The developed test rig is a redesign of a first experimental device dedicated to labyrinth seal instabilities study. The feedback, analyses and optimisations carried out, the technological solutions set up allowed to design and manufacture an operational and modular test rig for the observation and characterisation of the phenomenon. High vibration levels recorded were associated to aeroelastic instabilities. Test campaigns analyses allowed to highlight two parameters of influence : the mass flow rate and the mechanical damping of stator part. Fluid behavior is described by Navier-Stokes equations, using a one control-volume bulk flow model, and assuming temperature fluctuations. Stator dynamics equation is written using cylindrical shell theory. The resulting fluid-structure system is developped and linearized by a perturbation method. The problem resolution is carried out using a Galerkin approach. Simulations results, compared to experimental results obtained from test campaigns provide numerous perspectives to get better fidelity models and to perform new test campaigns.