Les techniques de réduction de vibrations d’aube de soufflante

nt ra in te alt er né e, σ^a (M P a) Gerber Goodman Soderberg

Fig. 4.9 – Diagramme de Haigh

combinés (HCF+LCF), les chargements multiaxiaux ou bien encore des cycles de contraintes complexes.

La durée de vie des aubes étant directement reliée à l’intensité des contraintes dynamiques, la maîtrise des niveaux vibratoires est un problème majeur pour les bureaux d’études. Ainsi, il est généralement nécessaire d’apporter un amortissement supplémentaire, soit pour augmenter la durée de vie à niveau de contrainte donné, soit pour augmenter le niveau de contrainte maximum à durée de vie fixée.

4.2.4 Les techniques de réduction de vibrations d’aube de soufflante Comme toutes les coïncidences entre les harmoniques du régime moteur et les fréquences propres des aubes ne peuvent pas être évitées sur toute la plage de fonctionnement du moteur, les aubes ont tendance à vibrer fortement, ce qui accélère leur usure et diminue leur durée de vie. Afin de réduire les niveaux vibratoires, la première stratégie consiste à apporter de l’amortissement. Ces techniques d’amortissement de vibrations appliquées au domaine aéro-nautique, et en particulier à celui des aubes, doivent cependant intégrer un nombre important de contraintes :

• les variations de température de fonctionnement (-50◦C en vol pour les aubes fan à +50◦C sur le tarmac) et les efforts centrifuges ;

• la masse ajoutée, qui est critique sur des structures tournantes et embarquées ; • les impératifs de fiabilité, de robustesse et de coût.

L’ensemble des solutions technologiques peut être divisé en trois catégories : actives, semi-passives ou semi-passives. Les dispositifs passifs ont l’avantage, outre leur simplicité d’implémen-tation, d’être inconditionnellement stables, puisqu’il n’y a aucune énergie injectée dans la structure à contrôler, contrairement aux technologies actives. Parmi les dispositifs passifs, les motoristes privilégient les techniques d’amortissement par frottement sec et par ajout de matériau viscoélastique.

(a) Amortissement par frottement sec

Les dispositifs de dissipation par frottement sec introduisent des non-linéarités ponctuelles dans la dynamique de l’aube et exploitent le déplacement relatif de l’aube par rapport au disque ou entre deux aubes adjacentes. Le frotteur, généralement logé entre deux aubes,

4.2. CONCEPTION D’UNE AUBE DE SOUFFLANTE

est plaqué sous les plates-formes par la force centrifuge, ce qui engendre une dissipation d’énergie à l’interface entre le frotteur et les plates-formes lorsque les aubes se mettent à vibrer (Fig. 4.10(a)). Comme la masse du frotteur détermine la force normale de contact, celle-ci doit être optimisée (Fig. 4.10(b)). Si la masse est trop petite, il n’y a pas de frottement et la résonance des aubes n’est pas amortie. À l’inverse, si la masse est trop grande, elle ne permet plus le glissement et il n’y a plus de dissipation. Selon le type de turboréacteur, les frotteurs

aube de soufflante pale plateforme pied logement amortisseur bord avant amortisseur

amont du fan

aval du fan

flanc amont perpendicu-laire au pied de l’aube (a) Frotteur bloqué glissant m→+∞ m→0 bloqué-glissant, moptimal Fréquence (Hz) A m plit ud e (m ) (b) Courbes de résonance

Fig. 4.10 – Modèle de frotteur pour aube fan et courbes de résonance pour plusieurs valeurs de masse du frotteur.

doivent avoir une masse différente. Des frotteurs standards sont donc usinés afin d’obtenir la masse désirée. Cette opération de calibrage est cependant réalisée de manière empirique et par retour d’expérience et ne peut donc pas être reproduite de manière simple et peu coûteuse pour différents modèles. Il existe différentes géométries de frotteur (creux, plat ou en coin) et les études portant sur cette technologie sont nombreuses [59, 113, 101, 99, 139, 140]. D’autres technologies d’amortissement par frottement existent mais elles sont moins, ou ne sont plus, employées :

• l’amortissement par un fil traversant à mi-hauteur les aubes [125] ;

• l’utilisation d’aube fan à nageoires, où chaque aube de la roue vient s’appuyer contre l’aube voisine. Initialement conçue pour rigidifier les aubes de grande taille, cette tech-nologie limite les vibrations par frottement mais la présence de nageoires perturbent fortement l’écoulement du flux ;

• les aubes à talon dissipent également de l’énergie par frottement dans cette seconde liaison ;

• Des frotteurs annulaires, appelés joncs [61, 74], montés sous la jante, les viroles ou les labyrinthes d’étanchéité des disques aubagés monoblocs (DAM) permettent également de dissiper de l’énergie par frottement

Il existe également une source naturelle de frottement dans les liaisons entre les aubes et le disque mais qui n’est pas suffisante telle quelle pour amortir les vibrations [88, 132, 31]. Enfin, comme l’introduction de frottement dans les modèles de vibration d’aube conduit à des équations non linéaires, les méthodes de résolution reposent principalement sur l’intégration temporelle, la méthode de l’équilibrage harmonique ou des méthodes qui alternent domaine temporel (pour le calcul des forces de frottement) et le domaine fréquentiel (pour le calcul du mouvement).

(b) Amortissement par ajout de matériau viscoélastique

Les matériaux viscoélastiques, en raison de leur propriété dissipative sont également très utilisés. Ils sont efficaces en haute fréquence, peu chers, travaillent en déformation et

consti-tuent des technologies éprouvées. Cependant, les premiers modes propres d’aubes fan, à l’ori-gine du flottement par exemple, et compris entre 40 Hz et 400 Hz, ne sont pas ciblés par les matériaux viscoélastiques.

Traditionnellement, l’utilisation de matériau viscoélastique se fait sous forme de couche à l’extérieur de l’aube, à l’interface aube-disque (Fig. 4.11) ou bien sous forme de noyau à l’in-térieur d’aube creuse. Les aubes composites permettent d’utiliser des couches viscoélastiques entre les renforts d’acier et l’aube proprement dite (Fig. 4.11), ce qui s’avère une solution élégante (écoulement non perturbé, pas de pièce supplémentaire), ou par insertion en usinant directement l’aube. Étant donné les basses températures de fonctionnement de la soufflante,

disque alvéole pied d’aube

aube couches

ex-ternes rigides

coeur constitué d’un empilage de couche

vis-coélastique et rigide _composite^aube pale protection métallique

couche viscoélastique

Fig. 4.11 – Dispositifs amortisseurs de vibrations viscoélastiques pour aubes de turbomachine (demande de brevet - consultation libre). Figure de gauche : amortissement localisé sur les portées de l’aube et du disque. Figure de droite : amortissement réparti sur le bord d’attaque entre l’aube et la lame de titane.

le matériau viscoélastique est de préférence du caoutchouc, du silicone ou des polymères élas-tomères. Sur la figure 4.11 de droite, la couche de matériau viscoélastique se situe sous la lame, soit sur les zones de déformation maximale pour un mode de vibration déterminé de l’aube, soit recouvre tout le bord d’attaque. Le matériau amortissant peut être monocouche ou multicouche en fonction de l’environnement.

(c) Amortissement par ajout de matériau piézoélectrique

Les techniques de réduction de vibration à base de matériau piézoélectrique sont cou-ramment employées dans l’aéronautique depuis une quinzaine d’années [55]. Les applications concernent, en grande majorité, la réduction des phénomènes de flottement, que cela soit en actif [114, 87, 124] ou semi-passif/passif [37, 9]. Elles portent sur le contrôle de pâle d’hélico-ptère, d’aile [94], d’aileron [114], de volet [124] ou d’une partie d’un fuselage.

Cependant, assez peu d’études se sont penchées sur l’amortissement des aubes de tur-bomachine elles-mêmes. Dans [77, 78] par exemple, une application sur un secteur de DAM encastré-libre muni de 5 éléments piézoélectriques de type Quickpack est mise en œuvre. Les shunts R et RL sont testés sur le premier mode du secteur et donnent, respectivement, -3 dB et -7 dB d’atténuation.

Ainsi, l’utilisation de matériaux piézoélectriques connectés à des circuits actifs, semi-passifs ou passifs a été largement étudiée mais les expériences traitent presque toujours de cas acadé-miques de poutre ou de plaque. De ce point de vue, l’étude présentée ici sur la modélisation éléments finis 3D d’un système piézoélectrique de réduction de vibration associée à une