Stabilité des écoulements et interactions fluide structure dans - Cnes

Proposition de sujet de thèse
Domaine des sciences pour l’ingénieur appliquées aux systèmes de transport spatial
Titre du sujet : Stabilité des écoulements et Interactions fluide-structure dans les joints labyrinthes
Nom et Prénom du Responsable Cnes : Jérôme Dehouve
Adresse e-mail : jerome.dehouve@cnes.fr tél . : 01 80 97 70 21
Sigle de la structure : DLA/SDT/EPM
Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) – Ecole Centrale de Lyon
Adresse : 36 Avenue Guy de Collongue
Code Postal : 69134 Ville : ECULLY Cedex
Nom et prénom du Directeur :
Adresse e-mail : tél :
Nom et Prénom du Directeur de thèse : Fabrice Thouverez
Adresse e-mail : fabrice.thouverez@ec-lyon.fr tél : 04 72 18 64 71
Nom et Prénom de l’Encadrant : Fabrice Thouverez
Adresse e-mail : fabrice.thouverez@ec-lyon.fr tél : 04 72 18 64 71
Co-financeur : Snecma DMS
Nom et Prénom du Responsable technique : Sébastien Guingo
Adresse e-mail : sebastien.guingo@snecma.fr tél. : 02 32 71 42 26
Nom et Prénom du Responsable administratif : JN Chopinet
Adresse e-mail : jean-noel.chopinet@snecma.fr tél. : 02 32 21 71 44
Profil du candidat :
Sujet :
Les joints labyrinthes des turbopompes spatiales peuvent être le siège d’instabilité aéro-élastiques
susceptibles de générer des comportements dynamiques néfastes à la struture environnante. Cette
instabilité est dûe à un couplage entre les forces aérodynamiques dans ce type d’étanchéité (amortissement
équivalent nul ou négatif du joint) et les forces élastiques et d'inertie dans la structure.
Comme dans tout phénomène aéroélastique, et à l’inverse d’une résonance, il peut exister une famille de
modes instables sur toute une plage de conditions de fonctionnement. D’après les travaux d’Abbott et
d’Alfort, cette instabilité serait déclenchée lorsque l'amortissement aérodynamique dans le joint labyrinthe
est négatif c'est-à-dire quand la fréquence acoustique dans ce joint est supérieure à la fréquence de la
structure (le stator). Dans le cas contraire, il y a instabilité ; les fréquences acoustiques dépendant du débit,
circulant au travers ce joint, lui-même dépendant des jeux radiaux, et des champs de pression (jeux axiaux).
Ce résultat est issu de travaux particuliers réalisés dans le cadre de problématiques rencontrées sur des
turbines à vapeur et turbines gaz de turbo-alternateur dont les conditions de fonctionnement des joints
dynamiques sont éloignés de ceux équipant les turbines spatiales.
Le premier objectif de la thèse est d’étudier les écoulements et les interactions fluide-structure dans les joints
labyrinthes des turbines spatiales afin de définir des régles ce conception vis-à-vis de ce type d’instabilité.
Des dispositifs d’amortissement mécanique des parties fixes ou tournantes de tels joints labyrinthes ont été
étudiés dans la littérature. Alford privilégie ces dispositifs du fait de leur efficacité vis-à-vis de différentes
origines vibratoires. Le rôle de ces dispositifs est important, notamment lorsque le joint est supporté côté
haute pression car l’instabilité apparaît pour les structures raides, et assouplir la structure peut générer des
résonances avec les excitations multiples de la synchrone. Pour les parties tournantes, un dispositif à jonc
amortisseur est décrit par Coghlan et al de Rolls Royce. Pour les parties fixes, des dispositifs à lamelles
ressort et/ou à billes sont décrits par El-Aini et al. Ces dispositifs se sont montrés efficaces pour amortir des
vibrations d’amplitudes comprises entre 20 à 200g, à des fréquences allant jusqu’à 12 kHz.
Le deuxième objectif de la thèse est d’étudier les systèmes d’amortissement mécanique des parties fixes ou
tournantes des joints labyrinthes.
Il s’agira donc dans le cadre de cette thèse :

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De réaliser une analyse bibliographique exhaustive des problèmes vibratoires rencontrés dans les joints
labyrinthes,
De développer un modèle prédictif d’écoulement et d’interactions fluide-structure au niveau d’un joint
labyrinthe de turbomachine, ainsi que des modèles d’amortisseurs à frottement sec pour le parties fixes
dans le cas où des situations d’instabilité ne serait pas évitables (volet numérique),
De valider les prévisions par comparaison à des essais à mettre en œuvre sur un boitier (en cours de
réalisation) dédié à l’observation de ces instabilités aéroélastiques crées par l’écoulement à travers un
joint labyrinthe (volet expérimental).
Proposition de sujet de thèse Thèse_DEHOUVE_ECL-LYON_Stabilité des écoulements et interactions fluide structure dans les joints labyrinthes.doc