Vers un modèle simplifié d’usure des douilles du mécanisme de calage variable d’aubes
Résumé
La prédiction de l’usure des composants des turbomachines est un enjeu majeur pour les constructeurs aéronautiques dans une optique d’extension de leur durée de vie. Ce travail s’intéresse aux paliers lisses, ou douilles, situés au cœur du système de calage variable des aubes de redresseur (Variable Stator Vane (VSV)). Ces pièces d’usure fortement sollicitées thermo-mécaniquement assurent un guidage en rotation de l’axe des aubes, ce qui permet d’ajuster en continu l’incidence du flux d’air. Une usure excessive peut entraîner des coûts de maintenance élevés, des baisses de performances du moteur et, dans les cas extrêmes, des risques de pompage du compresseur.
Différentes approches numériques de prédiction de l’usure ont été développées antérieurement : un modèle analytique 2D générique capable d’estimer des usures sous des sollicitations cycliques, et des modèles éléments finis 3D [1] permettant d’obtenir les niveaux de pression et d’usure dans les zones de contact. L’approche 2D présente l’avantage d’être rapide et de donner des résultats satisfaisants par rapport à des machines d’essais d’usure, mais nécessite des recalages. L’approche 3D apporte une précision accrue mais est néanmoins actuellement trop coûteuse en vue de simuler des milliers de cycles [2].
L’enjeu de ce travail est de développer un modèle numérique de prédiction des efforts de contact vus par les douilles du système VSV en environnement moteur de manière fiable et en des temps de calculs adaptés au pré-dimensionnement en bureau d’études. Le modèle numérique est placé sous l’hypothèse des solides rigides indéformables où seules les zones de contact se déforment de manière élastique selon une loi de comportement définie. Il s’agit de la résolution d’un problème cinématique à forte non-linéarité appliqué à un système multi-corps soumis à des chargements variables et combinés. Ce problème de contact est tout d’abord traité en 2D avec un chargement simplifié de l’aube. Le problème est décrit analytiquement selon une démarche classique de passage local-global et résolu par la méthode de Newton-Raphson. L’écriture analytique du problème permet d’identifier les paramètres importants de modélisation. La maîtrise de la configuration initiale du redresseur en fonction des jeux et des positions relatives des pièces est essentielle à la convergence de l’algorithme de résolution. Afin de prendre en compte de manière plus complète le chargement et les géométries considérées, une extension au cadre tridimensionnel est proposée.
La validation des modèles est réalisée par la confrontation des résultats obtenus à l’aide d’un outil de dimensionnement développé par Safran Aircraft Engines permettant d’estimer les pressions de contact maximales. L’objectif sera ensuite d’aboutir à un calcul d’usure sur des cycles de vol complets dans le but d’estimer la durée de vie des douilles du système VSV. La validation de ce modèle en perspective s’appuiera sur des résultats d’essais expérimentaux ainsi que de données de retour de flotte.
[1] Y. Xue, J. Chen, S. Guo, Q. Meng, J. Luo (2018) « Finite element simulation and experimental test of the wear behavior for self-lubricating spherical plain bearings ». Friction, 6(3), pp. 297-306.
[2] C. Paleczny, A. Selvi, E. Gabellini (2003) « 3D Kinematics Study with SAMCEF MECANO Motion on a nozzle of a turbojet engine - Pre and post- processing in SYNAMEC», SAMCEF User Days. France.