Etude de l'usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes : application aux pieds d'aubes de turbomachines

par Loïc Salles

Thèse de doctorat en Electronique, Electrotechnique et Automatique

Sous la direction de Fabrice Thouverez et de Alexandre Gouskov.

Le président du jury était Daniel Nielas.

Le jury était composé de Laurent Blanc, Pierrick Jean.

Les rapporteurs étaient Jean-Claude Golinval, Emmanuel Foltête.


  • Résumé

    Les parties tournantes des turbomachines aéronautiques sont composées d’une succession de roues aubagées qui permettent le transfert de l’énergie entre l’air et le rotor. Ces roues aubagées constituent des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre en termes de dimensionnement à des impératifs de performances aérodynamiques, d’aéroacoustique et de tenue mécanique à la rotation,à la température et à la charge aérodynamique. Le contact avec frottement existant au niveau des attaches aube-disque joue un rôle important sur les niveaux vibratoires.Ce travail porte sur l’étude de l’usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes. En effet, les vibrations de l’aube peuvent produire des micro-glissements en pied d’aubequi peuvent entraîner un phénomène d’usure par fretting. Les connaissances sur le comportement de l’usure sous sollicitations dynamiques sont faibles. Seuls existent des outils numériques pour modéliser l’usure dans le cas de sollicitations quasi-statiques. Nous proposons dans cette thèse des méthodes pour calculer l’évolution de l’usure au cours des cycles de chargement dynamique basées sur une approche multi-échelle en temps. La réponse vibratoire de la structure est liée à une échelle de temps rapide qui est calculée par une méthode d’équilibrage harmonique, dans laquelle les déplacements et les efforts sont projetés sur la base de Fourier. Différentes approches temps-fréquence de calcul des coefficients de Fourier des forces de contact sont présentées. La cinétique d’usure est liée à une échelle lente et différentes méthodes sont proposées pour l’intégrer. La prise en compte des géométries usées dans le modèle éléments finis se fait par l’ajout d’un vecteur des profondeurs d’usure dans le terme de pénalité des lagrangiens dynamiques. Des exemples académiques valident et illustrent les méthodes proposées. Ces méthodes sont ensuite appliquées à l’étude de l’usure par fretting en pied d’aube de soufflante. L’étude numérique met en lumière le couplage entre vibration et usure par fretting aux interfaces de contact. La modification du comportement dynamique global de la roue aubagée est aussi observée.


  • Résumé

    The rotating parts of aeronautical turbomachineries are made of bladed disks which enable the transfer of energy from the air to the rotor. These bladed disks are especially critical parts because their dimensioning has to meet strict requirements in terms of aerodynamical performance, aeroacoustics and mechanical resistance to rotation, temperature and aerodynamical loads. The frictional contact at the interface between blade and disk has an important influence on the vibratory levels.This work deals with the study of fretting-wear in frictional interfaces under dynamical loading. Indeed,the blade’s vibrations can produce micro-slidings in blade’s root which may entail fretting-wear. Wear under dynamical loading is a badly known phenomenon. Numerical tools exist for quasic-static conditions only. Here,methods are proposed to quantify the evolution of wear along dynamical loadingcycles based on a time-multiscale approach. The vibratory response of the structure is linked with a fasttime scale which is calculated by a harmonic balance method : displacements and forces are expressed through Fourier series. Different frequency-time approaches are presented to compute the Fourier coefficients of contact forces. Wear kinetics is linked with a slow time scale and different methods are proposed to integrate it.Worn geometries are taken into account in the finite elements model by a wear depth vector included in the penalty term of dynamic lagrangians. Academic examples validate and illustrate the proposed methods. These methods are then used to study fretting-wear in a fan’s bladeroot. The numerical results highlight the coupling between vibration and fretting-wear in frictional interfaces.The modification of the global dynamical behaviour of the bladed disk is also observed.


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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXIV-215 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 183-195

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2204
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