Modélisation plastique bi-linéaire de l’usure de matériaux abradables : application aux turbo-machines

Investigation of abradable coating wear through plastic constitutive law: application to aircraft engines

Laboratoire de Dynamique des Structures et Vibrations, Département de Génie Mécanique, Université McGill, 817 rue Sherbrooke Ouest, Montréal, QC, H3A 2K6, Canada

^a Auteur pour correspondance : mathias.legrand@mcgill.ca

Reçu : 12 Juillet 2010
Accepté : 12 Juillet 2010

Résumé

Une prise en compte simplifiée et macroscopique de l’usure des matériaux abradables dans les moteurs d’avion est proposée. Ces revêtements sont positionnés sur les carters au niveau des sommets d’aubes. Plus spécifiquement, il s’agit d’inclure, au sein d’une procédure d’intégration en temps explicite dédiée à l’étude de l’interaction aube-carter par contact mécanique, la prise en compte de l’évolution du profil d’usure en temps réel. Ce profil est mis à jour grâce à une loi de comportement plastique de l’abradable. Afin de maintenir des temps de calcul adaptés à des analyses paramétriques, les équations du mouvement de l’aube étudiée sont projetées sur un espace réduit construit selon la procédure de synthèse modale de Craig-Bampton. Ce choix est motivé par la possibilité de traiter les contraintes de contact et les conditions d’usure directement dans l’espace réduit. Il est montré que le comportement de ce matériau est à l’origine de zones d’interaction dangereuses vis-à-vis de la stabilité de l’aube. Sous certaines conditions, l’utilisation de revêtements abradables semble très défavorable.

Abstract

A simplified macroscopic implementation of abradable material wear in aircraft engines is introduced. These coatings are located along the circumference of the surrounding casings facing the blade-tips. More specifically, it is intended to numerically embed the abradable profile changes within an explicit time-stepping technique dedicated to blade-to-casing interactions by means of unilateral contact. This profile is updated through the use of a plastic constitutive law for the evolution of the abradable material. In order to keep low computational efforts allowing for parameter studies, a reduced order model of the blade of interest is built by following the Craig-Bampton modal synthesis technique. This choice is motivated because it offers the possibility to treat the contact constraints and wear conditions directly in the reduced-order space. It is shown that the mechanical behavior of the abradable material may initiate dangerous divergent motions of the blade. Under specific conditions, the use of abradable coatings should be avoided.