Étude expérimentale d’instabilités aéroélastiques de joints labyrinthe

Dans les machines tournantes, les joints labyrinthes sont utilisés à plusieurs niveaux (turbine, compresseur) pour limiter les fuites et les phénomènes de recirculation entre les zones hautes pressions et les zones basses pressions. Ces composants sont donc critiques pour les performances du moteur. Ils opèrent sans contact, par perte de charge, en minimisant les jeux radiaux entre parties fixes et parties tournantes de la machine. De plus, l’épaisseur du stator est réduite pour obtenir des géométries légères. Ces contraintes de conception mènent à l’apparition d’instabilités aéroélastiques qui constituent un risque pour l’intégrité des parties internes du moteur (fissuration, rupture). Pour éviter ces problématiques, il est nécessaire de disposer de modèles prédictifs. Si des critères existent, peu de données expérimentales permettent de valider et recaler ceux-ci aujourd’hui. L’objet de ce travail est double : il s’agit d’abord de mettre en place un dispositif expérimental spécifique à l’étude d’instabilités aéroélastiques de joints labyrinthe et de réaliser des essais de stabilité pour constituer une base de données expérimentale suffisamment fournie. D’autre part, le développement d’un nouveau modèle numérique est proposé. Des premiers éléments de comparaison calculs-essais sont présentés avec les résultats des simulations. Le banc d’essais mis en place est une reconception d’un premier dispositif expérimental dédié aux instabilités de joints labyrinthe. Le retour d’expérience, les analyses et optimisations réalisées, les solutions technologiques choisies ont permis de concevoir et fabriquer un banc d’essais modulaire et opérationnel pour l’observation et la caractérisation du phénomène. Les forts niveaux vibratoires relevés pendant les essais ont pu être associés à des instabilités aéroélastiques. Les analyses des campagnes d’essais ont permis de mettre en évidence deux paramètres d’influence : le débit massique et l’amortissement structural du stator. Le modèle d’écoulement est basé sur les équations de Navier-Stokes et prend en compte les variations de température au sein du joint labyrinthe. La cinématique du stator est décrite par une théorie de coque cylindrique. Le système global fluide-structure obtenu est développé et linéarisé par la méthode de perturbation. La résolution du problème bidimensionnel (temps et espace) se fait par une approche de Galerkin. Les résultats des simulations, confrontés aux résultats expérimentaux issus des campagnes d’essais, fournissent de nouvelles perspectives pour l’amélioration et le recalage du modèle et pour des campagnes d’essais futures.