Dynamique globale des lignes d'arbres de turbomachines couplées aux fluides environnants : application au cas des lames fluides

= Global dynamics of turbomachine shaft lines coupled with surrounding fluids : application to cases of fluid films

• Auteur / Autrice : David Lornage
• Direction : Georges Jacquet-Richardet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMSt - Laboratoire de Mécanique des Structures, UMR 5514 (Lyon, INSA1968-2003)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Résumé

Les lignes d'arbres de turbomachines doivent répondre à des exigences sans cesse croissantes en terme de fiabilité, performances et sécurité. Une modélisation précise des parties tournantes prenant en compte l'ensemble des couplages possibles devient donc de plus en plus souvent nécessaire. Dans ce contexte, le travail présenté vise à développer une modélisation globale adaptée aux ensembles roues/arbres tournants dans un fluide environnant, ceci afin de prévoir le comportement dynamique du système. Tout d'abord, l'utilisation et l'intérêt des formulations eulériennes, lagrangiennes et mixtes de type ALE sont rappelés. Une synthèse bibliographique sur les techniques classiques utilisées en mécanique des structures et sur les techniques de couplage dans l'étude des machines tournantes est alors présentée. Ensuite, la technique de couplage retenue est exposée. Elle utilise des modèles fluides et structures développés et validés indépendamment. Le domaine structure est discrétisé par la méthode des éléments finis et le modèle est tridimensionnel. Le domaine fluide est discrétisé par la méthode des différences finies en prenant en compte les hypothèses liées aux films minces. Une projection en base modale associée à une grille placée à l'interface des domaines fluide et structure permet un couplage efficace, souple et évolutif. Enfin, la méthode présentée est appliquée à trois cas tests. Les deux premiers sont composés d'un ensemble arbre/disque couplé d'une part à une lame fluide entre le disque et un carter et d'autre part à un palier hydrodynamique. Ces deux cas tests permettent une première validation de la méthode de couplage. Le troisième cas test a pour but d'étudier une structure plus proche de la réalité composée d'un arbre et d'une roue couplée à une lame fluide entre un flasque de roue et un carter. Ces trois applications permettent de dégager des tendances liées aux effets du fluide et des couplages entre les sous-ensembles flexibles de la structure.

High performances, reliability and security require predicting turbomachine behaviour with high accuracy. Concerning the dynamic behaviour of shaft lines, it is necessary to develop models including all possible couplings. In this context, the research presented in this thesis aims at developing a global model adapted to wheel/shaft assemblies rotating in a surrounding fluid. First, the use and advantages of Eulerian, Lagrangian and mixed formulations are recalled followed by a bibliographic review concerning classical techniques to solve structural problems are coupling techniques in rotating machinery. The coupling technique chosen is then described. It uses fluid and structural models developed and validated independently. The structural domain is discretised using the finite element method; the model is three dimensional. The fluid domain is discretised by using the finite difference method accounting for the thin fluid film hypotheses. A modal projection associated to a grip located at the interface of the fluid and structural domains allows efficient and adaptable coupling. The technique chosen is applied to three different test cases. The first two test cases are composed of a disc/shaft assembly coupled with, in the one hand, a fluid film between the disc and a casing and, on the other hand, a hydrodynamic bearing. These two applications are used to validate the method chosen. The third test case aims at studying a more realistic structure composed of a shaft and a wheel coupled with a fluid between the wheel and a casing. These three application make it possible to identify trends related to the effects of the fluid and the couplings between the flexible structural parts.