Titre du projet de recherche

Développement de nouvelles méthodes numériques pour l’analyse des phénomènes de contact dans les moteurs d’hélicoptères.

niveau d'étude

Stage post-doctoral

Directeur/codirecteur

Directeur : Alain Batailly

Fin de l'affichage

31 décembre 2023

Domaines d'expertise

Dynamique

Génie aérospatial, aéronautique et automobile

Modélisation, simulation et méthodes des éléments finis

Vibrations

Unité(s) et département(s)

Département de génie mécanique

Laboratoire d'analyse vibratoire et acoustique (LAVA)

Conditions

Stage post-doctorat financé par Safran Helicopter Engines et Mitacs.

Description détaillée

Résumé de la recherche

Safran Helicopter Engines (SHE) dispose d’un outil numérique (Coros, pour COntact ROtor Stator) dédié à la prédiction des phénomènes de contact aube/carter dans les moteurs d’hélicoptère. Cet outil numérique, développé en partie au laboratoire d’analyse vibratoire et acoustique de Polytechnique Montréal, a notamment permis de prédire avec précision plusieurs interactions observées au niveau de compresseurs basse et haute pression des moteurs d’avion. Le projet de recherche proposé consiste à développer de nouvelles fonctionnalités dans l’outil Coros en se focalisant sur : (1) la prise en compte de modèles réduits thermo-mécaniques pour augmenter la fidélité des simulations et (2) le développement de modèles numériques pour la prise en compte de nouvelles interfaces de contact, telles que les interfaces de contact entre les joints labyrinthes et un revêtement abradable. L’objectif est de permettre la simulation d’interactions structurales sophistiquées observées au niveau des joints labyrinthes afin de mieux prévenir et maîtriser les phénomènes d’usure observés sur cette interface et pour lesquels les augmentations de températures ne peuvent être négligées. Ce projet ambitionne de rendre l’outil Coros suffisamment réaliste pour envisager la simulation d’une campagne d’essais récemment effectuée par SHE et portant spécifiquement sur des compresseurs centrifuges, couramment utilisés dans les moteurs d’hélicoptères.

Renseignements généraux

Ce projet s’inscrit dans la suite de plusieurs projets de recherche menés conjointement entre différentes entités du groupe Safran et le laboratoire d’analyse vibratoire et acoustique de Polytechnique Montréal pour la modélisation de phénomènes de contact aube/carter. Depuis 2009, le professeur superviseur a piloté le développement de l’outil Coros [1], d’abord en tant que chercheur principal à l’université Mcgill puis, depuis 2015, en tant que superviseur d’étudiants gradués et de chercheurs dans le cadre de ses fonctions de professeur à Polytechnique Montréal. Au cours des six dernières années, plusieurs projets de recherche ont permis d’augmenter l’efficacité numérique de l’outil Coros qui repose sur une procédure d’intégration temporelle explicite [9]. Une attention particulière a été portée au développement de modèles d’usure thermo-mécaniques au niveau des composants fixes (stator) du moteur uniquement, notamment pour le revêtement abradable fréquemment déposé à l’intérieur des carters de moteurs d’avion pour des géométries de compresseur de type axial. En effet, plusieurs observations expérimentales [2] ont souligné l’importance de phénomènes thermo-mécaniques dans l’établissement des interactions aube/carter, notamment en lien avec le fait que des mécanismes d’usure très spécifiques peuvent être activés dans le cas de forts échauffements. La prise en compte d’effets thermo-mécaniques [3,4] à l’échelle de tout le carter, et leur influence en termes de déformation de cette structure, a également fait l’objet de travaux dédiés puisque certaines interactions observées expérimentalement ne pouvaient être prédites en se limitant à une modélisation dynamique avec usure du revêtement abradable. Au niveau des composants en rotation (rotor), telles que les roues aubagées, des projets de recherche ont été réalisés en se focalisant sur des aspects de modélisation stochastique [10] et non-linéaire. Dans un premier temps, une nouvelle méthode de réduction modale a été mise au point [5] pour permettre la prise en compte d’interfaces non-linéaires directement dans les modèles réduits et, simultanément, la prise en compte d’un certain niveau de faible désaccordage [11] (phénomène qui caractérise le caractère non parfaitement symétrique d’une roue aubagée réelle au sens où deux aubes voisines sont inévitablement non parfaitement identiques, du fait de variabilité des propriétés matériaux ou des tolérances de fabrication notamment). Par ailleurs, des développements numériques ont aussi permis la mise au point d’une méthode de réduction modale [6] permettant de prendre en compte les non-linéarités géométriques qui apparaissent lorsque les amplitudes de vibration deviennent élevées, problème essentiel au niveau des aubes de soufflantes et de certains étages de turbines notamment. Sur base du calcul de dérivées modales, cette méthode a permis d’effectuer la première analyse combinée de phénomènes de contacts aube/carter avec la prise en compte de non-linéarités géométriques.

La complexité des phénomènes simulés et le coût prohibitif associé à la simulation expérimentale des interactions aube/carter pose un problème de taille pour la validation des modèles numériques développés. Actant du fait que les données expérimentales sont nécessairement limitées, une stratégie spécifique a été mise en place pour assurer la vérification et la validation des méthodes et modèles développés. En termes de vérification tout d’abord, un projet de recherche [7] a abouti au développement d’une méthode numérique fréquentielle pour la simulation des interactions de contact aube/carter. Contrairement à Coros, qui s’appuie sur une procédure d’intégration temporelle, la méthodologie développée s’appuie sur la méthode d’équilibrage harmonique qui suppose une forme périodique des solutions recherchées. Le parfait accord entre les résultats obtenus avec la méthode numérique fréquentielle développée et ceux obtenus par des stratégies d’intégration temporelle telles que celles utilisées dans Coros ont permis une vérification numérique croisée approfondie des méthodes développées jusqu’à présent. Plus récemment encore, un projet de recherche a été lancé dans le but de valider l’outil Coros sur un ensemble d’essais expérimentaux effectués par Safran Aero Boosters en Belgique [8]. Ces essais représentent à ce jour la plus grande base de données associée au contact aube/carter : 4 aubes différentes avec plusieurs revêtements abradables ont été testées pour plusieurs vitesses de rotation. Suite à une calibration fine des paramètres numériques de Coros sur une aube spécifique, il a été possible de retrouver des résultats numériques cohérents avec l’expérimental sur l’ensemble des aubes et ainsi d’avancer de façon significative sur la validation des méthodes développées.

Objectif général

L’objectif général du projet est le développement de nouvelles méthodes et modèles pour l’outil Coros dans le but de permettre la modélisation d’essais expérimentaux effectués dans un moteur d’hélicoptère.

Références

[1] – A. Millecamps, A. Batailly, M. Legrand et F. Garcin, Snecma's Viewpoint on the Numerical and Experimental Simulation of Blade-Tip/Casing Unilateral Contacts. ASME Turbo Expo Conference, ASME, Jun 2015, Montréal, Canada. 10.1115/GT2015-42682. hal-01223582

[2] – A. Batailly, Q. Agrapart, A. Millecamps et J.-F. Brunel, Experimental and numerical simulation of a rotor/stator interaction event localized on a single blade within an industrial high-pressure compressor. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2016, 375, pp.308-331. 10.1016/j.jsv.2016.03.016. hal-01342401

[3] – F. Nyssen et A. Batailly, Thermo-Mechanical Modeling of Abradable Coating Wear in Aircraft Engines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, American Society of Mechanical Engineers, 2018, 141 (2), pp.021031. 10.1115/1.4041647. hal-01942616v2

[4] – Q. Agrapart, F. Nyssen, D. Lavazec, P. Dufrénoy et A. Batailly, Multi-physics numerical simulation of an experimentally predicted rubbing event in aircraft engines. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2019, 460, pp.114869. 10.1016/j.jsv.2019.114869. hal-02269517

[5] – J. Joachim, F. Nyssen et A. Batailly, Numerical Investigation of a Mistuned Academic Bladed Disk Dynamics with Blade/Casing Contact. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, American Society of Mechanical Engineers, 2020, 10.1115/1.4047780. hal-02896893

[6] – E. Delhez, F. Nysse, J.-C. Golinval et A. Batailly, Reduced order modeling of blades with geometric nonlinearities and contact interactions. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2021, 500, pp. 116037, 10.1016/j.jsv.2021.116037. hal-03152678

[7] – Y. Colaïtis et A. Batailly, The harmonic balance method with arc-length continuation in blade-tip/casing contact problems, Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2021, pp.116070. 10.1016/j.jsv.2021.116070. hal-03163560

[8] – L. Pacyna, A. Bertret, A. Derclaye, L. Papeleux et J.-P. Ponthot, Implementation of a rig test for rotor/stator interaction of low-pressure compressor blades and comparison of experimental results with numerical model. ASME Turbo Expo Conference, ASME, Jun 2020, Londres, Angleterre. 10.1115/GT2020-14266

[9] – M. Legrand, A. Batailly, B. Magnain, P. Cartraud et C. Pierre, Full three-dimensional investigation of structural contact interactions in turbomachines. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2012, 331 (11), pp.2578-2601. 10.1016/j.jsv.2012.01.017. hal-00660863v3

[10] – J. Dréau, B. Magnain, F. Nyssen et A. Batailly, Polynomial chaos expansion for permutation and cyclic permutation invariant systems: application to mistuned bladed disks. Journal of Sound and Vibration, Elsevier, 2021, 503, pp. 116103, 10.1016/j.jsv.2021.116103. hal-03180361v2

[11] – F. Nyssen et A. Batailly, Investigation on the robustness of rotor/stator contact interactions with respect to small mistuning, ASME Turbo Expo 2021, Jun 2021, Virtual, United States. hal-03286203

Possibilité de financement

Stage financé sur une durée d'un an.