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

par Florent Payer

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de Pascal Ferrand.

Le président du jury était Alain Combescure.

Le jury était composé de Fabrice Thouverez, Yann Mauffrey.

Les rapporteurs étaient Pierre Argoul, Nicolas Tauveron.


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    The purpose of this PhD thesis is to provide a better understanding of the forced response phenomena of turbomachinery bladings in resonance conditions. The study will use 3D U-RANS calculations relying on experimental results obtained on the ERECA test case, dedicated to the forced response phenomenon. In order to predict the vibrating amplitudes of aerodynamically excited bladings, the most commonly used prediction methodology consists in separated calculations for the prediction of the aerodynamic excitation and damping ; it is the decoupled method. The predictions of these two components have been compared to the experiment individually. For this, a special signal treatment analysis has been developed so as to extract the damping and excitation from the experimental amplitude/frequency signal. The analysis of the results presented hereafter has provided a better understanding of the mechanisms involved in the aerodynamic damping and excitation. The results obtained match very closely the experiment. However, this procedure requires two different unsteady calculations and is therefore hardly usable within the design process of an engine. In order to simplify and improve the quality of the forced response analysis, the time marching method has been developed and analyzed. With this method, the blade responses freely to the aerodynamic solicitations. Once the transient regime is evacuated, the blade oscillates on its permanent regime. In order to enable access to this methodology on an industrial level, several speed-up methodologies have been implemented and the results are very encouraging. To the knowledge of the author, this thesis is the first comparison between the decoupled and the time marching methods that relies on test results from an experiment dedicated to the forced response phenomenon.


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  • Détails : 1 vol. (xix-126 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. [121]-126

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  • Bibliothèque : Ecole centrale de Lyon. Bibliothèque Michel Serres.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T2393
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  • Cote : T2393 mag
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