Etude du comportement dynamique des turbomachines sur support ...

Etude du comportement dynamique des turbomachines sur support fluide.
Les turbomachines industrielles deviennent de plus en plus petites avec des conditions de
fonctionnement de plus en plus sévères (puissance en hausse, fiabilité plus grande, coût en
baisse, etc.). La conception et la réalisation de ces machines sont d’une grande complexité
technologique. Par exemple, dans l’industrie aérospatiale, la nécessité de diminuer le poids de
la machine tout en augmentant la puissance conduit à des rotors de plus en plus flexibles mais
fonctionnant à des très fortes vitesses de rotation. Le comportement vibratoire de l’arbre est
un obstacle dont il faut s’affranchir pour atteindre les performances attendues de la
turbomachine. Ce comportement dynamique est en grande partie déterminé par les
caractéristiques des éléments fluides de support et d’étanchéité.
Le travail de l’équipe est donc de caractériser les couplages dynamiques entre le
comportement des éléments fluides et celui de la turbo machine. Les éléments de machines
concernés sont :
- Les paliers fluides hybrides et les étanchéités annulaires et labyrinthes des
turbopompes des moteurs cryogéniques fonctionnant avec hydrogène liquide (collaborations
de longue date avec CNES et SNECMA Moteurs, site de Vernon).
- Les étanchéités annulaires et les joints labyrinthes des pompes primaires des centrales
nucléaires (collaborations avec EDF).
- Les amortisseurs à film fluide pour les moteurs d’avion (collaborations avec
SNECMA Moteurs, site de Villaroche).
- Les paliers à air à coussinet flexible (collaboration récente avec TURBOMECA et
MICROTURBO).
Figure 3. Vue en coupe et vue de la machine Balafre
Figure 4. Adaptation du banc Rotorkit pour un amortisseur à film fluide

Figure 5. Banc Birotor pour amortisseurs à film fluide/palier interabre (schéma de principe et
réalisation)
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Figure 6. Banc palier à feuilles (coussinet flexible)
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Figure 7. Machine d’essai développée au Laboratoire d’Etudes Aérodynamiques dans le cadre de la
fédération PPRIMME utilisée pour caractériser les écoulements sur les surfaces texturées par des
moyens PIV

Une double approche théorique et expérimentale est menée :
- Le développement de modèles de calcul prenant en compte les phénomènes complexes
se développant au sein du fluide (turbulence, effet d’inertie, compressibilité) et tenant compte
du couplage dynamique (flexibilité des rotors, comportement linéaire, non linéaire,…). Cette
activité de longue date s’est poursuivie avec la collaboration avec Hispano Suiza dans le
domaine des joints labyrinthes à gaz et avec SNECMA Moteurs pour les amortisseurs à film
fluide. Plus récemment, la collaboration avec TURBOMECA et MICROTURBO vise la
réalisation des modèles théoriques performants destinés à assurer une position de pointe de
ces sociétés dans la maîtrise de la technologie des paliers à air.
- La mise en place de banc d’essais originaux va se poursuivre par la mise en route du
banc Balafre (Figure 3) destiné à l’étude des joints et paliers fluides (ce banc est en cours
d’installation, cf. faits marquants).
- Un autre volet est constitué par le développement des bancs pour des amortisseurs à
film fluide. Une premier avancement a été l’adaptation d’un module de film fluide
amortisseur sur un banc d’essais du commerce (Figure 4). Un banc de dynamique de rotor
multi arbres mettant en jeu un amortisseur à film fluide de construction originale a été réalisé
pour le compte de SNECMA Moteurs. Ce banc est maintenant en cours d’exploitation et
permet d’étudier le comportement des différents amortisseurs aussi bien pour les modes de
vibrations propres des arbres que pour les modes de suspension (Figure 5). Par ailleurs, le
LMS a été responsable de l’analyse des résultats expérimentaux obtenus sur un banc de
caractérisation du comportement des films amortisseurs exploité à Polytech Lille pour le
compte de SNECMA Moteurs et de Techspace Aéro.
- Pour l’analyse des paliers à air à coussinet flexible nous sommes en train de mettre au
point un banc d’essais destiné à la mesure des caractéristiques dynamiques. Le petit diamètre
des arbres (38.1 mm) et l’absence d’un système de lubrification rendent les essais faisables
sans avoir à faire appel à des grandes installations. Par contre la mesure des coefficients
dynamiques à des vitesses de l’ordre 10 4 …10 5 tr/min implique des problèmes relatifs à la
maîtrise des jeux et des mésalignements, à l’application de l’excitation externe, à l’acquisition
des données et à leur interprétation. Jusqu’à présent le banc a permis la réalisation des essais
dynamiques pour un arbre immobile (Figure 6).
- Une dernière réalisation est le banc d’essai développé au Laboratoire d’Etudes
Aérodynamiques de l’Université de Poitiers dans le cadre de la fédération PPRIMME (Figure
7). Cette machine est utilisée pour caractériser les écoulements sur les surfaces texturées des
joints d’étanchéité par des moyens PIV et permet le recalage des résultats théoriques
(Collaboration EDF, SNECMA VERNON et Consortium Industriel de Recherche en
Turbomachines).
L’ensemble de ces travaux se déroule en collaboration très étroite avec nos partenaires
industriels. Nous nous inscrivons ici complètement dans la thématique du transport
Aéronautique et Spatial qui est un des axes principaux revendiqué par la fédération
PPRIMME et clairement indiqué dans le CPER 2007-2013. Ces activités sont rassemblées
dans la sous action TURBOTRIB - Plateforme d’analyse expérimentale des supports de
d’arbres de machines tournantes.