Réponse forcée des ensembles tournants de turbomachines : application au cas d'une turbine à gaz
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Turbomachines is the pieces in strategic fields such as transport (aircraft motor, turbo-compressor of motor vehicle…) and the energy production (vapor turbine of power station…). Taking into account the complexity of their dynamic behavior, the richness of possible excitations and for advancing towards a better control of their problems, the design of the machines cannot only be based on the forecast of the characteristics of type frequencies and modes. It thus becomes essential to be able to stimulate the real behavior of the structure under operation, simulation of type forced response under excitations induced by the environment. This objective is a major aspect in the turbomachines field and mobilizes significant research efforts. However, at the moment it is for only very partially achieved. One of the main excitation mechanisms of the blades is related to the rotation of the structure in a distributed stationary fluid field. These perturbations are the inevitable consequence of the obstacles crossed by the fluid. Combined with the rotation they operate on the blades as a distributed force variable throughout time and are thus able, under certain conditions, to excite its natural frequencies. The objective of work presented is to lead a series of basic studies in order to be able to control the mechanisms better which are brought into play as well as the numeric techniques adapted to their modeling. The first chapter enumerates the models usually met and establishes an analytical model used as a reference for the continuation of work. The second chapter makes it possible to establish the techniques of taken into account of the excitations distributed in the finite elements models, for the cyclic structures. The third chapter clarifies the field of validity of the mechanisms of the highlighted response. Finally, the final chapter presents an application on a real turbine blade.
Abstract FR:
Les turbomachines sont les pièces maîtresses de domaines stratégiques comme le transport (moteur d'avion, turbo-compresseur de véhicule automobile. . . ) et la production d'énergie (turbine à vapeur de centrale. . . ). Compte tenu de la complexité de leur comportement dynamique, la richesse des excitations possibles et pour bien avancer vers un meilleur contrôle de leurs problèmes, la conception des machines ne peut plus être basée sur la prévision des seules caractéristiques de type fréquences et modes propres. Il devient donc indispensable d'être en mesure de simuler le comportement réel de la structure en fonctionnement, simulation de type réponse forcée sous excitations induites par l'environnement. Cet objectif est un enjeu majeur dans le domaine des turbomachines et mobilise des efforts de recherche importants. Il n'est cependant pour l'instant que très partiellement atteint. L'un des mécanismes principaux d'excitation des aubages est lié à la rotation de la structure dans un champ fluide stationnaire perturbé. Ces perturbations sont les inévitables conséquences des obstacles traversés par le fluide. Conjuguées à la rotation elles agissent sur l'aubage comme une force répartie variable au cours du temps et sont donc capables, sous certaines conditions, d'exciter ses fréquences naturelles. L'objectif du travail présenté est de conduire une série d'études de base afin d'être en mesures de mieux maîtriser les mécanismes mis en jeu ainsi que les techniques numériques adaptées à leur modélisation. Le premier chapitre recense les modèles couramment rencontrés et établi un modèle analytique utilisé comme référence pour la suite du travail. Le second chapitre permet d'établir les techniques de prise en compte des excitations réparties dans les modèles éléments finis, pour les structures cycliques. Le troisième chapitre clarifie le domaine de validité des mécanismes de réponse mis en évidence. Enfin, le dernier chapitre présente une application sur un aubage réel de turbine.