Développement de modèles basse et moyenne fidélité pour l'étude du flottement gyroscopique d'hélices à pales rigides ou flexibles

Development of low-to mid-fidelity models for the analysis of whirl flutter in rigid or flexible blade propellers

• Auteur / Autrice : Vincent De Gaudemaris
• Direction : Fabrice Thouverez, Jean-Sébastien Schotté, Laurent Blanc, Antoine Placzek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides des matériaux des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 06/02/2025
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) - Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Evangéline Capiez-Lernout
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Thouverez, Jean-Sébastien Schotté, Laurent Blanc, Virginie Chenaux, Djamel Rezgui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Michon, Carlos Martel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Mots clés libres

Flottement gyroscopique

Aéroélasticité

Stabilité

Dynamique des machines tournantes

Hélice

Pales flexibles

Whirl flutter

Aeroelasticity

Stability

Dynamics of rotating machines

Propeller

Flexible blades

Résumé

Alors que les avions de nouvelle génération tendent à intégrer des moteurs de plus grand diamètre sur des ailes d’allongement croissant, des préoccupations émergent concernant l'impact de ces évolutions sur le flottement gyroscopique. Cette instabilité aéroélastique, pouvant affecter les avions à hélice classiques comme des configurations plus complexes équipées d'open rotors, se manifeste par un mouvement de précession divergent de l'axe de rotation du moteur. Il est donc essentiel de s'intéresser à ce phénomène pour garantir la sécurité et la fiabilité des prochaines générations d'avions.Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif de modéliser et d'approfondir la compréhension du flottement gyroscopique. Plusieurs modèles aéroélastiques, reposant sur une modélisation aérodynamique basse fidélité (modèles analytiques) ou moyenne fidélité (Vortex Particle Method), sont développés afin d'étudier la stabilité de deux configurations. La première est un système simplifié avec peu de degrés de liberté représentant une hélice montée sur un pylône flexible. La seconde configuration, plus détaillée mais également plus complexe, est un modèle éléments finis d’une véritable maquette d’aile/nacelle/hélice utilisée pour des essais en soufflerie. Une attention particulière est apportée à la prise en compte de la flexibilité des pales, un facteur amené à jouer un rôle prépondérant pour les moteurs de prochaine génération.Les résultats montrent que les modèles de basse fidélité développés dans cette thèse offrent de meilleures prédictions du flottement gyroscopique que certains modèles existants. Les modèles de moyenne fidélité demeurent essentiels pour l'étude de configurations complexes, telles que les situations d'écoulements non axiaux, où il a été observé que le flottement gyroscopique est moins susceptible de se manifester. Une analyse approfondie de l'impact de la flexibilité des pales, qui devrait jouer un rôle de plus en plus important dans les nouvelles générations de moteurs, révèle qu'elle engendre l'apparition de nouvelles phénoménologies d'instabilité. En particulier, elle induit des instabilités avec un mouvement de précession direct, contrastant avec le flottement gyroscopique classique observé pour les hélices à pales rigides, qui se manifeste par un mouvement de précession indirect. De manière générale, pour des valeurs réalistes de rigidité des pales, leur flexibilité tend à stabiliser significativement le système.

As the aviation industry strives to push the boundaries of traditional design, aircraft are increasingly incorporating larger diameter engines and higher aspect-ratio wings. While these innovations promise enhanced performance, they also raise important concerns about their influence on whirl flutter. This aeroelastic instability, which can impact traditional propeller-driven aircraft but also more advanced configurations with open rotors, manifests as a divergent precessional motion of the engine's rotational axis. Addressing whirl flutter is therefore essential to ensure the safety and reliability of future aircraft generations.The work presented in this thesis aims to develop various modeling approaches for this instability, with the goal of deepening its understanding and providing methods for efficiently conducting stability studies. In this context, the developed models are based on certain simplifying assumptions, placing them within low- to mid-fidelity levels. The simplest models, which are easier to use, rely on two-dimensional aerodynamic theories (low-fidelity), while others, more comprehensive but also more complex to implement, are based on external numerical codes that inherently incorporate three-dimensional flow effects using potential flow theory (mid-fidelity). Special attention is given to blade flexibility, which has long been overlooked in whirl flutter studies, and is considered in the low-fidelity models.These various modeling methods for whirl flutter are applied to evaluate the stability of two systems. The first, a simplified model with few degrees of freedom, simulates a propeller mounted on a flexible pylon. The second, more detailed but computationally more expensive, is a finite element model of an actual wing/nacelle/propeller mock-up used in wind tunnel testing. While the first system, due to its simplicity, is intended for numerous parametric studies, the second offers the possibility of evaluating whirl flutter onset in a realistic case.Results show that the low-fidelity models developed in this thesis offer more accurate stability predictions compared to some existing models. Meanwhile, mid-fidelity models remain crucial for studying complex configurations, such as non-axial flow scenarios, where whirl flutter is found to be less likely to occur. A detailed analysis of the impact of blade flexibility, expected to play an increasingly important role in novel engine configurations, reveals that it gives rise to new instability phenomena. Notably, it induces instabilities in a forward whirl motion, contrasting with the classical whirl flutter observed in rigid-blade propellers, where instability manifests as a backward whirl motion. Overall, for typical blade stiffness values, flexibility tends to significantly stabilize the system.