Experimental and numerical characterization of a ceramic matrix composite shroud segment under impact loading
Caractérisation numérique et expérimentale d’un secteur de virole en composite à matrice céramique soumis à des impacts
Résumé
This work focuses on the experimental and numerical characterization of stress levels within a shroud segment made of ceramic matrix composite (CMC) material undergoing repeated blade contacts. The dedicated experimental setup consists in a rotating disk with three notched mock blades that impact the shroud segment as they rotate. The underplatform on which the shroud is fixed progressively gets closer to the blades, so that the abradable layer deposited onto the shroud is progressively worn out from a blade revolution to another. Four sensors, located under the shroud segment, are used to record forces during the experiments. Different blade/shroud relative positions are tested, in such a way that impacts may occur at distinct locations. In addition to the experimental tests, a numerical model is built based on both reduced order models of the blade and the shroud segment, in order to numerically predict the forces at the four sensors. This numerical model is first calibrated based on a single reference test case to retrieve the same force magnitude at each sensor. Then, the other tests are simulated using the calibrated model. Predicted contact forces are in good agreement with experimental data, which validates the numerical model. Finally, simulations are carried out considering engine-like conditions, which could not be reproduced using the experimental test bench. The influence of several parameters (radial velocity, impact location, number of blades in contact and angular speed) is analyzed in detail.
Ce travail se focalise sur la caractérisation numérique et expérimentale des niveaux de contraintes au sein d'un secteur de virole fait d'un matériau composite à matrice céramique (CMC) soumis à des contacts d'aubes répétés. Le dispositif expérimental dédié consiste en un disque tournant, comportant trois aubes encochées qui impactent le secteur de virole en tournant. La plateforme sur laquelle le secteur est fixé se rapproche progressivement des aubes, de telle sorte que le revêtement abradable déposé sur la virole est progressivement usé à chaque révolution des aubes. Quatre capteurs, localisés sous le secteur de virole, sont utilisés pour mesurer les forces durant les tests expérimentaux. Différentes positions relatives de l'aube et du secteur sont testées, de telle sorte que les impacts se produisentà des positions distinctes sur le secteur. En plus des tests expérimentaux, un modèle numérique est construit, basé sur des modèles réduits de l'aube et du secteur de virole, dans le but de prédire numériquement les forces aux quatre capteurs. Tout d'abord, le modèle numérique est calibré sur un seul test expérimental de référence pour retrouver la même force à chaque capteur. Ensuite, les autres tests sont simulés en utilisant le modèle calibré. Les forces prédites sont en accord avec les données expérimentales, ce qui valide le modèle numérique. Finalement, les simulations sont menées en considérant des conditions moteur, qui ne peuvent pas être reproduite au moyen du banc d'essai. L'influence de plusieurs paramètres (la vitesse radiale, la position de l'impact, le nombre d'aubes en contact et la vitesse angulaire) sont analysées en détail.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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