Hdr Année : 2022

Nicht-synchrone Vibrationen in Turbomaschinen

Non-synchronous Phenomena in Turbomachines

Phénomènes non synchrones dans les turbomachines

Résumé

Non-synchronous phenomena in turbomachines, particularly in compressors and fans, are critical to understanding the operational limitations in modern energy conversion systems. This study investigates the aerodynamic, aeroelastic, and acoustic coupling mechanisms in turbomachinery, emphasizing the complex interactions between rotating components, such as fans and compressors, and their operating environment. The primary focus is on instability mechanisms, such as flutter, buffeting, rotating stall, and non-synchronous vibrations (NSV), which affect the efficiency, operability, and safety of machines like turbojet engines and gas turbines. These phenomena are particularly challenging for novel designs featuring lightweight, high-performance blade geometries. The research presents significant advancements in understanding convected aerodynamic disturbances and their interaction with blade vibrations. A key contribution is the development of a semi-analytical model to predict and analyze the "lock-in" mechanism between aerodynamic disturbances and structural vibrations, which occurs before the onset of full-scale instability. The model has been validated through both experimental and computational studies, showing how non-synchronous coupling can drive dangerous blade vibrations that reduce operational stability. Additionally, the study explores acoustic resonance and its role in triggering instability in turbomachines, identifying specific conditions under which non-synchronous, circumferentially spinning acoustic modes can resonate with structural vibrations. Mistuning strategies are also discussed as potential methods to suppress these instabilities and improve operational stability. The document concludes by highlighting the need for integrated design approaches to handle multi-physical interactions in future turbomachinery designs, as well as outlining future research directions aimed at further refining predictive models for non-synchronous phenomena. The insights gained are expected to contribute to the design of more efficient and reliable turbomachinery, with applications spanning aviation, space propulsion, and energy generation systems.
Les phénomènes non synchrones dans les turbomachines, en particulier dans les compresseurs et les fans, sont essentiels pour comprendre les limitations opérationnelles des systèmes modernes de conversion d'énergie. Cette étude examine les mécanismes de couplage aérodynamique, aéroélastique et acoustique dans les turbomachines, en mettant l'accent sur les interactions complexes entre les composants rotatifs, tels que les fans et les compresseurs, et leur environnement de fonctionnement. L'accent principal est mis sur les mécanismes d'instabilité, tels que le flottement, le buffeting, le décollement tournant et les vibrations non synchrones (NSV), qui affectent l'efficacité, l'opérabilité et la sécurité des machines telles que les turboréacteurs et les turbines à gaz. Ces phénomènes sont particulièrement exigeants pour les conceptions novatrices comportant des géométries de pales légères et performantes. La recherche présente des avancées significatives dans la compréhension des perturbations aérodynamiques convectées et de leur interaction avec les vibrations des pales. Une contribution clé est le développement d'un modèle semi-analytique permettant de prédire et d'analyser le mécanisme de « verrouillage » entre les perturbations aérodynamiques et les vibrations structurelles, qui se produit avant l'apparition d'une instabilité à grande échelle. Le modèle a été validé à travers des études expérimentales et computationnelles, montrant comment le couplage non synchrone peut provoquer des vibrations dangereuses des pales qui réduisent la stabilité opérationnelle. De plus, l'étude explore la résonance acoustique et son rôle dans le déclenchement d'instabilités dans les turbomachines, en identifiant des conditions spécifiques dans lesquelles des modes acoustiques non synchrones et tournants peuvent résonner avec les vibrations structurelles. Des stratégies de désaccord sont également discutées comme méthodes potentielles pour supprimer ces instabilités et améliorer la stabilité opérationnelle. Le document conclut en soulignant la nécessité d'approches de conception intégrées pour gérer les interactions multi-physiques dans les futures conceptions de turbomachines, et en exposant les orientations futures de la recherche visant à affiner davantage les modèles prédictifs des phénomènes non synchrones. Les connaissances acquises devraient contribuer à la conception de turbomachines plus efficaces et fiables, avec des applications dans l'aviation, la propulsion spatiale et les systèmes de production d'énergie.
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tel-04728730 , version 1 (09-10-2024)

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  • HAL Id : tel-04728730 , version 1

Citer

Christoph Brandstetter. Non-synchronous Phenomena in Turbomachines. Engineering Sciences [physics]. Ecole Centrale de Lyon; Université Claude Bernard Lyon 1, 2022. ⟨tel-04728730⟩
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